Essentielle Bodenkunde für Landschaftsplaner

Essentielle Bodenkunde für Landschaftsplaner
Robert Jandl und Walter W Wenzel
28. April 2011
1
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
Einführung
Boden und Landschaft
15
2.1
Bodendenitionen
15
2.2
Funktionen des Bodens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.3
Bodengefährdung weltweit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.4
Boden im Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
Geologie und Mineralogie
Bodenbestandteile
3.2
Chemische Bestandteile
3.3
3.4
5
6
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
3.2.1
4
13
21
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gesteinstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bodenbildung auf Karbonat und auf Silikat
21
21
22
. . . . . . . . . . . .
24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.3.1
Primäre Silikate
3.3.2
Tonminerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.3.3
Oxide
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.3.4
Karbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
3.3.5
Andere Minerale
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Organische Substanz
34
4.1
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
4.2
Aufbau des Auagehumus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
4.3
Die chemische Struktur der organischen Substanz . . . . . . . . .
38
4.4
Der Abbau der organischen Substanz Prozess . . . . . . . . . .
38
4.5
Exkurs zur organischen Landwirtschaft; organic farming
39
. . . .
Physikalische Bodeneigenschaften
41
5.1
Bodentextur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
5.2
Bodenstruktur
5.3
Bodenwasser
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.3.1
Wasserkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.3.2
Wasserpotentiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
5.3.3
Wasserspannungskurven, pF-Kurven . . . . . . . . . . . .
48
5.3.4
Methoden der Bestimmung der Wasserverfügbarkeit
50
5.4
Bodenluft Zusammensetzung
5.5
Bodenfarbe
. . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
Bodenbiologie
53
6.1
Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
6.2
Beschreibung
54
6.3
Mykorrhiza
6.4
Regenwürmer (Annelida: Oligochaeta: Lumbricidae)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
. . . . . . .
62
63
6.5
Nahrungskette im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6
Biodiversität
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
6.7
Rhizosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
6.8
Einuss der Umweltbedingungen auf die biologische Aktivität . .
70
2
7
Bodenchemie
70
7.1
Sorption von Kationen im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
7.2
Puerbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
7.3
pH-Wert
7.4
Kationenaustauschkapazität KAK
7.5
7.6
7.7
des Bodens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
Basensättigung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
C:N Verhältnis
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
Chemische Bodenuntersuchung im Labor . . . . . . . . . . . . . .
78
7.8
Reduktion - Oxidation; RedOx
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
7.9
Bodendaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
7.10 Berechnung von Nährstovorräten
8
9
73
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
Poröses System
80
86
8.1
Porengrösse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2
Bodengefüge
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
8.3
Lagerungsdichte des Bodens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
Prozesse der Bodenentwicklung
86
91
9.1
Einussfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
9.2
Prozesse der Bodenentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
9.3
Bildgalerie der wichtigsten Bodentypen . . . . . . . . . . . . . . .
96
9.4
Böden im Gelände Catenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
10 Stoüsse
96
10.1 Mechanismen des Transportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
10.2 Biogeochemische Kreisläufe
96
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Biogeochemischer Kreislauf der Kationen
10.2.2 Kohlensto
10.2.3 Sticksto
. . . . . . . . . 103
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
10.3 Der Boden im Simulationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
10.4 Boden und Klimaänderung
10.5
-
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
11 Panzenproduktion
115
12 Bodensystematik
115
12.1 Bodenhorizonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
12.2 Österreichische Bodenklassikation / andere Klassikationen
. . 120
12.3 Andere Systematiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
12.4 Die Böden der Welt
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
12.5 Die Böden Österreichs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
13 Nährstoe
126
13.1 Haupt- und Nebennährstoe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
13.2 Nährstoe Im einzelnen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
14 Schadstoe
14.1 Anorganische Schadstoe
128
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
14.2 Organische Schadstoe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3
15 Fallbeispiel Bodenschutz
128
15.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
15.2 Entwaldung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
15.3 Unsachgemässe Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft
15.4 . . . oder einfach S-O-L
. . . . 130
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
16 Bodenkunde im Gelände
130
17 Die Prüfung
139
18 Ausblick
139
19 Institutionen und Internet Resourcen für Bodenkundler - Trost
& Rat
141
4
Abbildungsverzeichnis
1
Bodenkunde als Querschnittsmaterie. . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Prol einer Braunerde in der oberösterreichischen Flyschzone. -
14
Aus der Betrachtung des Bodenprols und der Kenntnis der lokalen naturräumlichen Gegebenheiten (Standortsfaktoren) werden Informationen über den Boden als Panzenstandort, seine
Wasser- und Nährstospeicherfähigkeit und über die dominanten
Faktoren der Bodenbildung gewonnen. . . . . . . . . . . . . . . .
3
Bodennutzung als Panzenstandort.
4
Bodenproblem
-
weltweiter
. . . . . . . . . . . . . . . .
Vergleich
Source:
Special
23
Die Geologie ist ein bestimmender Faktor für die Österreichische
Bodenklassikation.
8
22
Physikalische Verwitterung führt zur mechanischen Verkleinerung
von Gesteinen. Bildquelle: Internet. . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
19
Die Stellung der Böden im Kreislauf der Lithosphäre. (Blume
et al., 2002). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
17
Is-
sue(Editorial Science, 2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
14
Flächenentwicklung des österreichischen Bodens auf Kosten der
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
Aluminium-Oktaeder (links) und Si-Tetraeder (rechts). Im oberen Teil sind die Bindungsarme zwischen dem Zentralatom und
den Liganden dargestellt, im unteren Teil wird deutlich gemacht,
wie die Vorstellungshilfen Silizium-Tetraeder und AluminiumOktaeder entstehen. Quelle: Scheer & Schachtschabel (Blume
et al., 2002) und
9
http://pubpages.unh.edu/~harter/Tetra.gif.
28
Einheitszelle eines Silizium-Tetraeders eines Tonminerals. Das
4+
kleine 4-wertige Silizium-Ion (Si
;
• in der Mitte) hat Bindungs-
arme an welchen 4 negative chemische Ladungen gebunden werden können. An jeder Ecke sitzt eine grosse Hydroxid-Gruppe
(OH
10
; blaue Kreise), sodass ein
aus den endständigen OH
11
Si(OH)4 -Molekül
entsteht. . . .
-Gruppen. . . . . . . . . . . . . . . . .
29
Vernetzung von Si-Tetraeder-Einheitszellen und Al-Oktaedern zu
schichtförmigen Mineralen, den Tonmineralen. . . . . . . . . . . .
12
28
Polymerisation von Silizium-Tetraedern durch Wasserabspaltung
29
Das Zweischicht-Tonmineral Kaolinit (Tetraederschicht / Oktaederschicht) (oben) und das Dreischicht-Tonmineral Smektit
(Tetraederschicht / Oktaederschicht / Tetraederschicht) (unten).
13
31
Im Zwischenschichtbereich von Tonmineralen, d.i. der Raum zwischen den Schichtpaketen, können positiv geladene Nährstoe
austauschbar gebunden werden. Quelle: Scheer & Schachtschabel (Blume et al., 2002). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
32
Humusformen im Bild; links: Mull; die organische Substanz ist
in den Mineralboden eingearbeitet. Mitte: Moder; Ausbildung eines fahlen A-Horizontes, darüber wenig zersetzte organische Substanz. Rechts: Rohhumus oder Moder - Rohhumus; Anteil an un-
http://www.baselland.ch/docs/
bud/boden/fotos/boden/humusformen-druck.jpg. . . . . . . .
zersetzter Streu hoch. Quelle
15
Organische
Substanz
wird
gesammelt
und
kompostiert
35
und
stellt die wichtigste nicht-industrielle Nährstoquelle dar. Photo: Buthan, Gerhard Glatzel.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
37
16
Modell der chemischen Struktur von Humus (Schulten, 1995). . .
17
Die funktionellen Gruppen der organischen Substanz des Bodens
(Berg and Laskowski, 2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
38
Die Interaktion der organischen Substanz mit den mineralischen
Bodenbestandteilen ist vielfältig. (Kleber et al., 2007). . . . . . .
19
38
39
Bestimmende Faktoren für die Abbaubarkeit der organischen
Substanz; Temperatur, chemische Struktur, Umweltfaktoren (Davidson and Janssens, 2006).
20
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
Fluss von Kohlensto im Boden zwischen der organischen Substanz des Bodens und lebenden Feinwurzeln (FW) und Grobwurzeln (GW); Konzept Andrea Schnepf.
21
. . . . . . . . . . . . . . .
40
Bodentextur und Porengrössen. Als Bodentextur werden die
Konrgrössen Ton, Schlu , Sand unterschieden. Bei den Bodenporen unterscheidet man Fein-, Mittel- und Grobporen.
22
. . .
42
Darstellung der Bodentextur im Dreiecksdiagramm. Punkt 1:
70% Sand, je 15% Ton und Schlu, Punkt 2: 20% Sand, 70%
Schlu, 10% Ton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
43
Obere Graphik: Entwicklung der Gefügeformen vom Einzelkorngefüge beginnend aufgrund von Quellung und Schrumpfung, biologischer Prozesse und anthropogener Belastungen. a) Einzelkorngefüge, Grobsand; b) Kohärentgefüge, Löss; c) Kittgefüge, vorwiegend eisenoxidumhüllter Grobsand d) Prismengefüge,
Löss; e) Polyedergefüge, Bt -Horizont einer Löss-Parabraunerde;
f ) Subpolyedergefüge, Bv-Horizont, Löss; g) Krümelgefüge, ApHorizont, Löss; h) Säulengefüge, i) Plattengefüge, Pugsohle im
Löss; (Blume et al., 2002); untere Grak: Schematisierte Gefügeformen des Bodens in Feldanleitungen der Bodenkunde. . . .
24
25
45
Wasserkreislauf - Zahlen in cm charakteristisch für Mitteleuropa. 46
Schematischer Vergleich des Wasser- und Lufthaushalts in der
sedimentogenen, monotonen Porenstruktur eines Sandes und der
hierarchisch gegliederten Porenstruktur eines gut aggregierten
Lehms im Stadium der Wassersättigung (oben) und Austrocknung (unten). Quelle: Klaus v.Wilpert: Waldböden - Grundlage
für die Multifunktionalität von Wäldern; download von Waldwis-
http://www.waldwissen.net/themen/waldoekologie/
boden_standortkunde/fva_waldboden_multifunktion.pdf. . .
Idealisierte pF Kurven für einen Sand-, einen Schlu- und einen
49
Tonboden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
senNet
26
27
Wasser ist die Leben oder noch pathetischer. Links: Baumwachstum in einer Steppe ist möglich, wenn Bodenwasser verfügbar ist; rechts: auf extrem trockenen Standorten (Kalkalpen)
nützen die Bäume die Klüfte im Gestein um mit ihren Wurzeln in tiefere Bodenschichten vorzudringen um dem Wasserbedarf zu decken.. Quelle:
lebensr.htm.
http://www.wien.gv.at/wald/quelle/
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
28
Die drei Domänen Bakterien, Eukaryoten und Archaeen. . . . . .
54
29
Stammbaum der Bakterien.
57
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
30
Aufbau eines Biolms: Einzelne Bakterien wechseln zwischen nomadischer und sesshafter Existenz. Beim Leben in Bakterienkolonien entwickeln sich unterschiedliche Zelltypen und zu einer arbeitsteiligen Lebensweise, welche die Besetzung von verschiedenen `Mikronischen' (dargestellt durch verschiedene Farben) erlaubt (Kolter and Greenberg, 2006).
31
32
. . . . . . . . . . . . . . . .
57
Logarithmische und lineare Darstellung der Grösse der Bodenfauna. 58
Der Regenwurm
Cognettia clarae,
der zuerst in einem Fichten-
wald in Österreich beschrieben wurde (links) und der Giant Earthworm,
Megascolides australis
(rechts), ohne den die Provinz
Gippsland in Südaustralien nicht die ihr zukommende Berühmtheit hätte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
59
Mykorrhiza: Pilze (dünne Härchen) auf der Oberäche von Panzenwurzeln können symbiontische Verbindungen mit den Höheren
Panzen eingehen; Abbildung aus (Whiteld, 2007).
34
links:
Regenwürmer,
. . . kommen
nur
bei
die
Wappentiere
günstigen
der
. . . . . . .
59
Bodenkunde.
Bodenbedingungen
vor;
Mit-
te: die Wurmröhren sind reich an organischer Substanz, da die
Regenwürmer Panzenreste nach unten transportieren und da
die Wurmröhre der Wurzel das Wachstum nach unten erleichtert
und die organische Substanz der Wurzel nach deren Absterben
zurück bleibt; (c) schematische Darstellung von (b).
. . . . . . .
62
35
Nahrungskette der Bodenfauna in einem Buchenwald (Scheu, 2002). 64
36
PLFA Spektrum für einen Waldboden; Achenkirch, Tirol.
37
Die Enzyme von Pilzen und Bakterien können verschiedene Sub-
. . . .
64
strate aufschliessen. Streubestandteile werden von Pilzen aufgearbeitet, der freiwerdende Zucker steht Bakterien zur Verfügung.
Quelle: Kathrin Riedel, Projekt MicDif,
file: omics.ppt.
. . .
65
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
38
Nahrungskette im Boden.
39
Biodiversiät unter verschiedenen Umweltbedingungen. Bei günstigen Bedingungen (links) sind artenarme Gesellschaften sehr
produktiv. Bei ungünstigen Bedingungen (rechts) kann die Produktivität der artenarmen Gesellschaften im Vergleich zu artenreichen Gesellschaften unter eben diesen Bedingungen stark verringert sein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
69
Die Rhizosphäre in einer Grossaufnahme (links) und Längsschnitt
durch eine Wurzel, welche die Zonen der Ausscheidung von Material zeigt (rechts). Quelle des Längsschnittes (Jones et al., 2009).
Erklärungen zu den Nummern in der rechten Abbildung im Text.
41
69
Vielfache Wechselwirkungen zwischen Panzen und Boden. In
der Abbildung sind zahlreiche Begrie, die im Kontext mit einem
guten und einem schlechten Boden verwendet werden (Wardle
et al., 2004). Diese Wertung richtet sich oenbar nach der Produktionsfähigkeit des Bodens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
71
Puerbereiche bei fortschreitender Bodenbelastung mit Protonen
+
(H ).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
74
43
Darstellung
der
Grössenverhältnisse
von
Bodenbestandteilen.
Graphik 1: Oben: Grössenklassen nach der Bodentextur und Porengrössen. Mitte: Wurzelhaare, Fein- und Grobwurzeln, unten:
charakteristische Bodenorganismen. Graphik 2: andere Vergleiche zur weiteren Erhöhung der Anschaulichkeit. . . . . . . . . . .
44
87
Der Porenraum ermöglicht den Wurzeln das Wachstum. An einem eng begrenzten Ort kommen eine Vielzahl mineralischer und
organischer Verbindungen und Wasser und Luft vor. Alle Prozesse im Boden spielen sich in der üssigen Phase ab (Post et al.,
2004).
45
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dünnschlibilder von Böden, 30µm, dick, 2
cm breit,
89
durch wel-
che Mikroorganismen in ihrer natürlichen Umgebung betrachtet
werden können; Die Bilder A und B wurden aus dem selben Bodenprol geworben. links: Durchlicht-Fotograe, rechts: Fotograe mit polarisiertem Licht, um den Porenraum von der Festphase optisch unterscheidbar zu machen. In Bild C ist die Verteilung der Mikroorganismen in einem Bild mit 30
600
µm
µm
Dicke und
Länge. Die Beleuchtung mit UV-Licht zeigt die Positio-
nen der uoreszierend gefärbten Mikroorganismen (gelbe Punkte
im Bild C/rechts) (Young and Crawford, 2004). . . . . . . . . . .
46
(Powers et al., 2005). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
90
Die Boden-Porosität beeinusst viele Faktoren. Vereinfacht nach
91
Empirische Funktion für die Lagerungsdichte des Bodens, abgeleitet aus österreichischen Daten; Projekte: Waldböden aus BioSoil,
Acker- und Graslandböden von IKT Petzenkirchen und Datenbank BORIS des Umweltbundesamtes. . . . . . . . . . . . . . . .
48
Kapitel 12.5.
49
92
Vereinfachte Übersicht über die Entwicklung von Böden. Vgl dazu
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
In Abhängigkeit von der Position des Bodens in Relation zum
Grundwasserspiegel bzw. zum freien Wasserspiegel werden im Gelände unterschiedliche Bodentypen angetroen. Situation: Bodenbildung auf Silikat, gemäÿigtes Klima.
50
. . . . . . . . . . . . . . .
99
Die Biogeochemie umfaÿt den Stouss zwischen der Atmosphäre, der Biosphäre und dem Boden. Links: vereinfachte Darstellung
der Hauptüsse, die beschrieben werden. Rechts: Unterscheidung
zwischen Geochemie, Biogeochemie und Biochemie. Quelle: Switzer & Nelson 1972
51
Soil. Sci. Soc.Am. Proc..
. . . . . . . . . . . . 102
Die Biogeochemie eines Laubwaldes in einer klassischen Arbeit
aus den 1970er Jahren, durchgeführt von Denayer & DeSmet
(links) und eine vollständige biogeochemische Aufklärung des
Schwefelkreislaufes in Hubbard Brook (Likens et al., 2002).
52
. . . 103
Kationenkreislauf / Nährstoaufnahme durch Wurzeln und die
Versauerung als Konsequenz für den Boden (links); Quelle Stefan Smidt. Rechts ist die Bedeutung der Wurzeltiefe auf die Nährstoversorgung dargestellt; Quelle ein anonymer Künstler. . . . . 104
8
53
Bodenversauerung durch Nährstoaufnahme. (a) Verschiedene
Formen von Sticksto: das Anion Nitrat (NO3 ) hält den Bo-
+
den neutral, das Kation Ammonium (NH4 ) wird gegen Proto-
+
nen (H ) getauscht und versauert den Boden; (b) verschiedene
Panzenarten versauern den Boden unterschiedlich stark. Ganz
links:
pH-Skala. Bilder aus Horst Marschner, Mineral nutrition of
plants, 1986; vergrien.
54
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Links: Kohlenstokreislauf/schematisch; Mitte: Kohlenstokreislauf in Zahlen (Körner, 2000); rechts: lokaler Kohlenstokreislauf
im Boden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
55
Der Tiefenverlauf der Kohlenstokonzentration in GrünlandBöden Österreichs
56
Österreichs
57
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Der Tiefenverlauf der Kohlenstokonzentration in Acker-Böden
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Messanordnung
zur
Erfassung
der
CO2 -Emission
aus
einem
Waldboden in Achenkirch, Tirol. Mit einer Küvette wird Luft, die
aus dem Boden entweicht, gesammelt und die CO2 -Konzentration
wird mit einem InfraRed-GasAnalyzer (IRGA) gemessen.
58
. . . . 108
Links: Stickstokreislauf/schematisch; Mitte: wichtigste Organismengruppen im Stickstokreislauf; rechts: die Stickstomineralisierung ist ein zweistuger Prozess, bestehend aus Ammonikation und Nitrikation.
59
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Globaler Stickstokreislauf. Die blauen Pfeile zeigen den natürlichen Kreislauf, die orange-farbenen Pfeile zeigen den menschlich (anthropogen) verursachten Teil des Stickstokreislaufes. Die
Tg N pro Jahr, die Zahlen gelten für 1990. Die Flüs±20% bekannt, vielfach sind aber die Unsicherheiten
> ±50%. Quelle: Gruber et al. Nature 2008. . . . . . . . . . . . .
Bedeutung des Stickstokreislaufes für den pH-Wert des Bodens.
Einheit ist
se sind mit
60
111
Die schwarzen Pfeile zeigen die Richtung der chemischen Reaktion, die roten Pfeile die Bildung und Aufnahme von Protonen
(Reuss and Johnson, 1986).
61
62
Die Simulationsmodelle für Bodenprozesse unterscheiden sich in
ihrer Komplexität.
63
64
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Stickstokreislauf / noch schöner . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Anstieg des Partialdrucks von Kohlendioxid in der Atmosphäre. . 114
Bodenkohlensto wird in labile und stabile Pools eingeteilt. Die
Grenze ist operational deniert. Beide Pools sind biologisch abbaubar und entlassen C in die Atmosphäre oder in das Grundwasser.114
65
Suxe f Horizonte
66
Hauptgruppen von terrestrischen (oben) und semiterrestrischen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
(unten) Bodentypen nach der österreichichen Bodensystematik
67
68
Globale Verteilung der Böden nach der US-Soil Taxonmy; Quelle:
http://soils.ag.uidaho.edu/soilorders/;
http://www.fao.org. . . . . . . .
auch Link zu
69
. 122
Bodentypen in Österreich und Entwicklungsreihen von Böden. . . 123
siehe von dort
. . . . . . . . . 124
Bodentypen in Europa nach Angaben der EEA. . . . . . . . . . . 125
9
70
Verteilung
der
Datenquelle:
Calc
wichtigsten
. . . Rendzinen
. . . Braunerden,
Waldboden-Typen
Österreichische
Psdgle
und
in
Österreich.
Waldbodenzustandsinventur.
Kalksteinbraunlehme;
. . . Pseudogley,
Ranker
Camb
. . . Ranker,
Spodo . . . Podsole, Floodp . . . Auböden, Peat . . . Moorboden. 126
71
72
Übersicht über Bodenkartierung eines Gebietes. . . . . . . . . . . 127
Das Grundstück, für das man Interesse hat, kann per Eingabe
der Addresse gesucht werden.
73
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Übersicht über gröÿere Lanschaftsteile am Beispiel der Wertigkeit
als Ackerland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
74
Herkunft der basischen Kationen und P aus der Gesteinsverwitterung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
75
In dicht besiedelten unterliegen die Böden aufgrund von Interessens verschiedenen Belastungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
76
Entwässerungsgräben auf Borneo (a) und dadurch ausgelöste Bodendegradation (b).
77
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Heftiger Wind hat den unbewachsenen fruchtbaren Oberboden
durch Erosion abgetragen. Die natürliche Grundlage der Landwirtschaft ist dadurch verloren gegangen.
78
. . . . . . . . . . . . . 130
Die Sedimente des Chadsee bestehen aus feinem Diatomeenstaub,
der im Seebecken in Schichten abgelagert wurde. Das Material ist
schlug und wird vom Wind aufgewirbelt. . . . . . . . . . . . . . 131
79
Muster eines Formulars Vergleiche Exkursion
80
Texturdreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
81
Flächenanteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
82
Bodenporen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10
. . . . . . . . . . 132
Tabellenverzeichnis
1
2
Verteilung der Elemente in der Erdkruste und in Panzen; (Ågren
and Bosatta, 1996). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
Bauform von Silikaten
27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
Vertreter der Tonminerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4
Die wichtigsten Oxide der Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
5
Eigenschaften des Humuskörpers von Böden unterschiedlicher
biologischer AktivitätOrganische Substanz!Auagehumus; Quelle
http://www.lwf.bayern.de/lwfbericht/lwfber18
6
7
8
35
päische Ökosysteme (Jabiol et al., 2007). . . . . . . . . . . . . . .
36
Organic farming - Kennzahlen(Macilwain, 2004).
41
Durchschnittliche
lumsprozent.
9
. . . . . . .
Transport von organischer Substanz in den Boden mitteleuro-
Investition
Zusammensetzung
der
. . . . . . . . .
Bodenluft
in
Vo-
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(Allokation)
von
Energie
aus
der
52
Netto-
Primärproduktion (NPP) in die unterirdischen Panzenteile im
allgemeinen und in die Ektomykorrhiza. Quelle (Hobbie, 2006). .
10
11
http://www.soilfoodweb.com/
sfi_html/research/02_Endomycor_DIC_light.html. . . . . . .
60
Formen der Mykorrhiza. Quelle:
61
Bilder zu Bodenorganismen / Nahrungskette / Biodiversität.
http://www.soilfoodweb.com/sfi_html/research/
02_Endomycor_DIC_light.html. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quelle:
12
68
Physikalische und chemische Kennwerte eines Waldbodens; Podsol in Mitteldeutschland; Coulissenhieb (Kalbitz et al., 2004);
Korngrössen, Gehalt an Kohlensto und Sticksto, das C:NVerhältnis, der
(KAK).
13
pH-Wert
und die Kationenaustauschkapazität
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 1:
pH-Wert,
80
Kar-
bonatgehalt, Gesamtgehalte an Kohlensto und Sticksto, C:NVerhältnis und Gesamt-Schwefel im Auagehumus; Es sind jeweils 3 Bodenprole für jede geologische Einheit angeführt.
Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf Silikatgestein.
Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische
Waldboden-Zustandsinventur.
14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 2: Phosphor und
Kationen im Säureaufschluss. Der Säureaufschluss ist besonders
stark (Gemisch HNO3 /HClO4 ) und gibt annähernd den Gesamtgehalt an Elementen an, unabhängig davon, ob diese panzenverfügbar sind oder stark gebunden, etwa im Gesteinsverband.
Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf Silikatgestein.
Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische
Waldboden-Zustandsinventur.
11
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
15
Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 3: Austauschbar gebundene Kationen. Diese werden in ungepuerter Bariumchloridlösung desorbiert und gelten als panzenverfügbar. Geologie:
C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf Silikatgestein. Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem
Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische WaldbodenZustandsinventur.
16
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 4: Austauschbar gebundene Kationen in der Einheit % der gesamten Austauschkapazität, Kationenaustauschkapazität (KAK), Summe der basischen Kationen (K, Ca, Mg) und Basensättigung. Geologie:
C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf Silikatgestein. Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem
Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische WaldbodenZustandsinventur.
17
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 5: Spurenmetalle im
Säureaufschluss. Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf
Silikatgestein. Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle:
Österreichische Waldboden-Zustandsinventur.
18
. . . . . . . . . .
85
Bodenart der österreichischen Waldböden aus Tabellen 13, 14,
15, 16, 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
19
Porenweiten und Kennzahlen des Wasserhaushaltes.
. . . . . . .
87
20
Terrestrische Bodenbildungen auf Silikat.
. . . . . . . . . . . . .
98
21
Terrestrische Bodenbildungen auf Karbonat. . . . . . . . . . . . .
99
22
Semiterrestrische Bodenbildungen.
23
. . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Mediterrane Böden. Alle Bilder von Theodore Karyotis, Thessaloniki, präsentiert bei Tagung COST 639, Firenze, März 2009. . . 101
24
Bodenkohlenstopool in Österreich
[Mg C
1
ha]. x
ist der Mit-
telwert, Std ist die Standardabweichung. . . . . . . . . . . . . . . 107
25
Mittlere
Erde;
Kohlensto-Flüsse
GPP
in
verschiedenen
. . . Brutto-Primärproduktion,
Biomen
NPP
der
. . . Netto-
Primärproduktion, NEP . . . Netto-Ökosystem-Produktivität, Re
. . . Respiration; (Luyssaert et al., 2007).
26
. . . . . . . . . . . . . . 109
Der globale Kohlenstopool im Boden (Batjes, 1996; Lal, 1999;
Jobbágy and Jackson, 2000).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
27
Koexistierende Bodenklassikationssysteme
28
Unterschiede zwischen landwirtschaftlich und forstwirtschaftli-
. . . . . . . . . . . . 121
chen Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
29
30
Beurteilung der Deutlichkeit und Form des Horizontüberganges . 131
Korngröÿengruppen des Grobbodens (Bodenskelett,Durchmesser
>2 mm). .
31
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Beurteilung der Duchwurzelungsintensität (nach AG BODEN,
1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
32
Beurteilung der Regenwurmtätigkeit
33
Beurteilung des Humusgehaltes.
34
Mustergültige Ansprache eines Bodenprols . . . . . . . . . . . . 140
35
Beispiel einer Standorts- und Bodenbeschreibung . . . . . . . . . 140
12
. . . . . . . . . . . . . . . . 138
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
1 Einführung
Bodenkunde ist die Wissenschaft von den Eigenschaften, der Entwicklung und Verbreitung der Böden sowie den Möglichkeiten und
Gefahren, die mit ihrer Nutzung durch den Menschen zusammenhängen.
Um der Forderung nach einer ezienten, nachhaltigen, universellen Bodennutzung gerecht zu werden, können verschiedene Zugänge zur Bodenkunde gewählt
werden. Die Hauptdisziplinen innerhalb der Bodenkunde sind die Bodenchemie, die Bodenphysik und die Bodenbiologie (Abbildung 1). Die Bodensystematik (Kapitel 12) schat Ordnung innerhalb der Bodenkunde, indem
sie eine Klassikation der Bodentypen auf der Grundlage der Prozesse der Bodenbildung (Kapitel 9) anbietet. Die Bodenkunde bedient sich einer Reihe von
Grundlagenfächern, durch deren Methoden verschiedene Teile der Bodenkunde
erschlossen werden. - Die Bodenkunde arbeitet auf verschiedenen räumlichen
und zeitlichen Skalen. Zum Verständnis der biogeochemischen Stokreisläufe
(Kapitel 10) ist die Kenntnis von chemischen und mikrobbiologischen Prozessen
in der Bodenpore genauso wichtig wie die Kenntnis der regionalen Hydrologie
und der physio-geographischen Gegebenheiten.
Boden ist ein integraler Bestandteil der Umwelt. Er steht mit allen anderen
Schutzgütern wie Wasser, Luft und Natur in enger Verechtung und verdient
daher die Aufmerksamkeit, die ihm insbesondere in jüngerer Vergangenheit verstärkt geschenkt worden ist. Von europäischen Bodenkundlern wurde eine Soil
Thematic Strategy
1 erarbeitet, in welcher der Wert des Bodens dargestellt wur-
de und Maÿnahmen des Bodenschutzes als europäische Ziele vereinbart wurden.
Unter Boden im engeren Sinne versteht man die oberste Schicht der Erdkruste in ihrer Eigenschaft als Umweltmedium, als Träger von geogenen Potentialen
sowie als Wirkungsraum oberächennaher Stoaustauschprozesse.
Die Bewertung der naturräumlichen Funktionen und Potentiale des Bodens
setzt die hinreichend genaue Kenntnis über seinen Aufbau, seine Eigenschaften
und seinen aktuellen Zustand voraus. Welche Böden kommen wo vor und wie
sind sie chemisch und physikalisch beschaen?
Bei der (kundigen) Betrachtung des Bodenprols in Abbildung 2 treten Fragestellungen auf, die in diesem Text mit unterschiedlichem Tiefgang dargestellt
werden. Unter den Zielsetzungen der Lehrveranstaltung ist ein zentrales Anliegen, dass die Ansprache eines Bodenproles mittels der Terminologie der
Bodensystematik möglich ist und dass aus prolmorphologischen Merkmalen
die Prozesse der Bodengenese dargestellt werden können und bei Kenntnis der
naturräumlichen Bedingunen (z.B. Geologie, Klima) eine Einschätzung der Produktionskraft des Bodens gegeben werden kann. Die Vielfalt der Fragestellungen
innerhalb der Bodenkunde unterstreicht die Ansicht, dass es sich beim Boden
in der Tat um das komplizierteste Biomaterial unseres Planeten handelt (Young
and Crawford, 2004).
1. Systematische Einordnung des Bodenprols; Kapitel 12
•
Unterscheidung eines organischen Auagehumus (L, F, H bzw. Ol ,
Ol , Ol und mehreren Mineralbodenhorizonten: A-, B-, C-Horizont
1 http://europa.eu.int/comm/environment/soil/index.htm.
13
Hydrologie
Tr
a
ns
po
W
as
rt
se
Geologie
geo
oz
re
Bo d
Bio
pr
rk
es
isl
enb
au
se
f
ildu
che
m
ng
isch
Disziplinen der Bodenkunde:
e P
roze
sse
Atmosphären
Emission von Treibhausgasen
Wissenschaften
Klimawandel
Biologie
lt
sha
hau
sser
a
W
halt
aus
oh
t
s
r
Näh
ie
em
h
, C
ik
en
ys
er
h
lli
P
e
od
M
Boden-Physik
Boden-Chemie
Boden-Biochemie
Boden-Mikrobiologie
Boden-Ökologie
BasisWissenschaften
Abbildung 1: Bodenkunde als Querschnittsmaterie.
Abbildung 2: Prol einer Braunerde in der oberösterreichischen Flyschzone. Aus der Betrachtung des Bodenprols und der Kenntnis der lokalen naturräumlichen Gegebenheiten (Standortsfaktoren) werden Informationen über den Boden als Panzenstandort, seine Wasser- und Nährstospeicherfähigkeit und über
die dominanten Faktoren der Bodenbildung gewonnen.
14
•
Ausgangsgestein der Bodenbildung ist silikatisch
2. Boden ist durch die Prozesse Verbraunung und Verlehmung entstanden; Kapitel 9; dabei sind Tonminerale (d.s. sekundäre Silikate, siehe Kapitel 3.3.2) aus primären Silikaten (z.B. Glimmer; siehe Kapitel 3.3.1)
gebildet worden und Eisenoxid hat den Mineralboden rostfarben/braun
gefärbt; Kapitel 3.1
3. Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung des Bodens:
•
Die chemischen Eigenschaften geben Auskunft über die Nährstoversorgung und über die Möglichkeit des Bodens, Säuren abzupuern;
Kapitel 7, 13, 10
•
Die physikalischen Eigeschaften geben über den Wasserhaushalt Auskunft; Kapitel 5, 8.
4. Wo kommt dieser Bodentyp in Österreich vor? Kapitel 12
Der Boden ist ein
Drei-Phasen-Gemisch . Die
Festphase
besteht aus der
organischen und mineralischen Bodenmatrix, die Flüssigphase ist das Bodenwasser und die gasförmige Phase ist die Bodenluft. Die Bodenorganismen besiedeln den Porenraum des Bodens. Morphologisch wird der Boden von der
Geologie, dem Klima, der Vegetation, der Bewirtschaftung und der Dauer der
Bodenentwicklung bestimmt.
2 Boden und Landschaft
2.1
Bodendenitionen
1. Böden sind Teil der belebten obersten Erdkruste des Festlandes. Sie sind
nach unten durch festes oder lockeres Gestein, nach oben durch eine Vegetationsdecke und die Atmosphäre begrenzt.
2.
Geographisch
3-D Ausschnitt aus der Erdkruste
Substrat zwischen Festgestein und Atmosphäre
3.
Stoich
3-Phaseninterface (fest- üssig- gasförmig)
Humus und Gestein . . . Festphase (Kapitel 3.1)
Bodenwasser . . . Flüssigphase
Bodenluft . . . Gasphase
4. nach den Funktionen (vgl Kapitel 2.2)
2.2
•
Funktionen des Bodens
Produktionsfunktion (Substrat, Panzenwachstum, Biomassenproduktion)
•
Schutzfunktionen (Puer-, Filter-, Transformatorfunktion)
15
•
Infrastrukturfunktion
•
Rohstofunktion
•
Genschutz- und Genreservefunktion
•
Kulturfunktion
Eine Darstellung des Bodens als Querschnittsmaterie bietet der Österrei-
http://www.
umweltbundesamt.at/umweltsituation/umweltkontrollbericht/ukb2010/
chische Umweltkontrollbericht; Neunte Ausgabe von 2010 auf
mit einem ausführlichen Bodenkapitel.
2.3
Bodengefährdung weltweit
Boden ist ein nicht-vermehrbares Gut. Verbrauchter/verloren gegangener Boden kann nicht spontan ersetzt werden. In Mitteleuropa ist das gröÿte Problem die Versiegelung des Bodens. Darunter versteht man den Bodenverlust zugunsten der Schaung von Infrastruktur (Verkehrsächen, Siedlungsgebiet). Die tägliche Flächeninanspruchnahme durch Bau- und Verkehrsä-
ha, davon wurden
ha versiegelt; Quelle: http://www.umweltbundesamt.at/umweltsituation/
umweltkontrollbericht/ukb2010/ukb2010_raum/. Die Form der Landnut-
chen in Österreich lag zwischen 2007 und 2010 bei 11
5
zung hat einen starken Einuss auf den Bodenkohlenstopool. Die Erhaltung eines hohen Kohlenstovorrates ist für die Stabilisierung des Welt-Klimas wichtig
(siehe Kapitel 10.4). Die kohlenstoreichsten Böden nden sich unter Wald und
extensiv bewirtschaftetem Grasland/Grünland. Durch die landwirtschaftliche
Bewirtschaftung verlieren Böden Kohlensto, den sie teilwiese wieder akkumulieren, wenn die Form der Landbewirtschaftung umgestellt wird (Guo and Gifford, 2002; Lal, 2004). Abbildung 3 zeigt sogar, dass eine erhebliche Fläche jährlich ganz aus der Bewirtschaftung genommen wird, um Infrastruktur errichten
zu können. Bei Bauvorhaben wie z.B. Hochleistungsstrassen und Schienentrassen wird häug das öentliche Interesse an der Infrastruktur höher eingeschätzt
als die Bodenerhaltung.
Dilemma: der Bodenverlust bedeutet, dass auf die Produktionsfunktion des
Boden (Boden als Panzenstandort) verzichtet wird, sodass eine andere Funktion des Bodens (z.B. Rohstofunktion, Infrastrukturfunktion) erfüllt wird. Im
Zuge einer Interessensabwägung wird festgelegt, welcher Bodenfunktion lokal
der Vorzug gegeben wird. Der Produktionsfunktion des Bodens wird immer weniger Beachtung geschenkt. Der Anteil der Landwirtschaft am BIP ist derzeit
(2011) nur 2% und die Tendenz ist sinkend. In den Abbildungen 3 und 4 wird gezeigt, dass weltweit verschiedenartige Probleme vorherrschen. Für Westeuropa
wird in der Tat die Bodenversiegelung (sealing) als Hauptproblem genannt. Die landwirtschaftliche Nutzung hat in vielen Regionen der Welt zu Bodenschäden geführt. So wurde Böden durch den Einsatz schwerer BodenbearbeitungsMaschinen verdichtet (compaction) oder sie sind erosionsgefährdet. Böden in
trockenen Regionen drohen der Versteppung (desertifation) oder der Versalzung (salinization) zum Opfer zu fallen. Andernorts verarmen Böden an Nähr-
2
stoen, wenn die erntebedingten Nährstoentzüge nicht ausgeglichen werden.
2 Ein
Klassiker: The tragedy of the commons (Hardin, 1968); die gemeinsame Bewirtschaf-
tung von Böden führt durch Übernutzung zur Bodendegradation.
16
© SCHEUFLER COLLECTION/CORBIS
© JOHN KIMBLE/USDA
UNITED STATES
erosion
CENTRAL & EASTERN EUROPE
compaction
Decades of water erosion on tilled fields has
degraded soil across the Midwest and Great
Plains, although no-till agriculture has recently
stemmed losses.
Soviet-era intensive tillage has left 11% of
topsoil across Central and Eastern Europe too
densely packed to allow sufficient water and
nutrients to reach plant roots.
WESTERN EUROPE
sealing
© MARTIN JONES; ECOSCENE/CORBIS
Covering of soils with buildings and roads has
put beyond use large swaths of prime soil
in European cities.
Soil and Trouble
SOURCES: Adapted from Major Land Resource Constraints map created April
2004 by P. Reich and H. Eswaran of USDA/NRCS Soil Survey Division, World Soil
Resources, Washington, D.C., from WSR Soil Climate Map and FAO Soil Map of
the World, 1995. GLASOD data (L. R. Oldeman et al., 1991) provided by
K. Sebastian, IFPRI. Data on compaction in Europe from SOVEUR/ISRIC (2000).
AMAZON
erosion
PHYSICAL DEGRADATION
© GETTY IMAGES
WHEN PEOPLE INTENSIVELY TILL FIELDS
and clear-cut forests, they can damage or destroy topsoil that took centuries to accumulate. Just how vulnerable soils are depends on
underlying conditions. Mismanaged soils in
windswept lands can easily turn into desert,
for example, and saline soils can become
salt-encrusted wastelands.
This map shows the main barriers to productive farming, along with erosion risk, derived from climatic and soil conditions. Overlaid as cross-hatching are regions reported to
be highly or very highly degraded according to
a global survey of soil experts published in
1990. The hot spots illustrate examples of the
worst soil degradation, from the most common physical type—water erosion—to chemical forms, such as that caused by pollution
from industrial chemicals and war.
An interactive version of this map appears
online at www.sciencemag.org/cgi/content/
summary/304/5677/1614.
Slash-and-burn
agriculture in the
Amazon exposes
poor tropical soils
that can sustain
crops for only a
few years before
nutrients wash
away.
CHEMICAL DEGRADATION
High and very high levels of
soil degradation per Global
Assessment of Soil
Degradation (GLASOD)
Climate Constraints
High temperatures
Seasonal cold
Seasonally excess water
Seasonal dryness
Highly erodable by wind or water
Few constraints
18
Continuous cold
Continuous dryness
© MUTSUMI Y. STONE
During the first Gulf War, 40 million tons of
Kuwaiti soil were drenched with oil. Experts
fear that soils in Iraq are being damaged by
fuel and other chemicals spilled during the
current conflict.
Shrinkage of the Aral Sea, due to diversion of
water from its tributaries, has exposed a seabed laced with fertilizers and pesticides. The
tainted dust is picked up by the wind and
poisons farmland.
CHINA
desertification
The expansion of
deserts due to farming and grazing stokes
the country’s famous
dust storms.
© CHI-HUA HUANG
KAZAKHSTAN & UZBEKISTAN
pollution, desertification
© RICKY WONG
© AFP/GETTY IMAGES
IRAQ pollution
CHINA erosion
1.6 billion tons of soil per year wash into
the Yellow River from China’s Loess Plateau,
which has the highest rates of water erosion
in the world.
HIMALAYAS erosion
© WILDCOUNTRY/CORBIS
Overgrazing and
deforestation have
spurred widespread soil
erosion in the lower
Himalaya Mountains,
where natural rates
are already high because
of monsoonal rains.
Removal of vegetation
has allowed the water
table to lift underlying
salts, leading to barren
landscapes such as this
one in Western Australia’s
wheat belt.
© CSIRO LAND & WATER
Fields rarely left fallow
and the scavenging of
vegetation and dung
have conspired to mine
the soil of nutrients.
Physical Constraints
AUSTRALIA
salinization
© VINCE STREANO/CORBIS
SUB-SAHARAN
AFRICA
nutrient depletion
Chemical Constraints
High shrink/swell potential
Low organic matter
High phosphorus, nitrogen, and organic retention
Minor root restricting layer
High anion exchange capacity
High organic matter
Low structural stability
High aluminum
Impeded drainage
Calcareous, gypseous condition
Low water holding capacity
Low nutrient holding capacity
Shallow soils
Low moisture and nutrient status
Abbildung
4:
Bodenproblem
-
weltweiter
sue(Editorial Science, 2004).
19
Salinity/alkalinity
NOTE: Acid sulfate condition (0.09% of total map area)
and steep lands (obscured by erosion risk) are not shown.
Vergleich
Source:
Special
Is-
2.4
Boden im Gesetz
Bodenrelevante Bestimmungen sind in Österreich auf viele Gesetzesmaterien
verteilt. Die jeweils aktuelleste Aufstellung ist im
Umweltkontrollbericht
des
Umweltbundesamtes ersichtlich. Der neunte Umweltkontrollbericht (2010) listet
http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/
umweltkontrolle/2010/ukb2010_rechtsnormen.pdf.
Rechtsnormen auf; vgl.
•
Bodenschutzgesetze:
rja:
Erlassung durch den Landeshauptmann -
Bodengesetze sind Länder-
sache
2004
Ziele:
Erhalt der nachhaltigen Bodenfruchtbarkeit landwirtschaftlicher Böden
Schutz vor Erosion, Bodenverdichtung, Schadstoe
Speziell behandelt werden Dünger, Klärschlamm und Müllkompost
BodenschutzG beschlossen in Oberösterreich 1991: umfangreichst;
auch Panzenschutz,Versuchs- und Beratungswesen, Förderungen,
Administrativ- bis zu Strafbestimmungen
Niederösterreich 1994: Grundlagenforschung bis Versuche und Beratung über Klärschlamm und Müllkompost bis Überwachung und
Strafbestimmungen
Burgenland 1992: analog NÖ
Steiermark 1987: analog NÖ
Salzburg 2001, Wien in Arbeit
•
Wasserrechtsgesetz WRG
Bundesgesetz 1959; Novelle 1990 BGBL. Nr. 252/1990
Ziele:
Erweitert um Kriterien der ordnungsgemäÿen Bodennutzung
Erhaltung und Wiederherstellung einer gewässerverträglichen Bodennutzung
Eingrie sind bewilligungspichtig; Ausnahmen sind die ordnungsgemäÿe LW und FW, Gemeingebrauch und geringfügige Einwirkungen
•
Abfallwirtschaftsgesetz (Bundesgesetz)
•
Altlastensanierungsgesetz (Bundesgesetz)
•
Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP)
•
Mineralrohstogesetz
•
Forstgesetz (Bundesgesetz, das für Waldächen gilt; Paragraphen über
Waldverwüstung, durch welche unter anderem die unsachgemässe Nutzung
von Waldböden sanktionierbar ist)
20
letztes
Update
Tabelle 1: Verteilung der Elemente in der Erdkruste und in Panzen; (Ågren
and Bosatta, 1996).
Element
Abkürzung
Sauersto
O
Erdkruste [%]
47
Panzliche Biomasse [%]
78
Silizium
Si
28
0.009
Aluminium
Al
8
0.003
Eisen
Fe
5
0.003
Kalzium
Ca
3.6
0.6
Kalium
K
2.6
0.2
Magnesium
Mg
2.1
0.08
Wassersto
H
0.14
9
Phosphor
P
0.12
0.7
Schwefel
S
0.052
0.1
Kohlensto
C
0.032
11
Sticksto
N
0.0046
0.8
Österreich:
Bodenschutzgesetze sind Landesgesetze!
Daher müssen bei Pro-
jektarbeiten und Gutachten jeweils die Ländergesetze studiert werden; Achtung:
Lehrbuch der Bodenkunde Scheer & Schachtschabel ((Blume et al., 2002)) ist
ein deutsches Lehrbuch; der Boden ist in Deutschland in Bundesgesetzen geregelt.
EU-Politik: Der Boden hat die politische Aufmerksamkeit in der Soil Thematic
htm).
Strategy
(http://europa.eu.int/comm/environment/soil/index.
Ausserdem sind bodenrelevante Bestimmungen bzw. politische Forderun-
gen in den Dokumenten der Gemeinsamen Agrarpolitik (Common Agricultural
Policy
Cap)
zu nden.
3 Geologie und Mineralogie
3.1
Bodenbestandteile
3.2
Chemische Bestandteile
4+
3+
), Aluminium (Al
) und Eisen
3+
(Fe
) dominierend. Diese beiden Elemente bilden die Silikate bzw. die AlumoIn der Erdkruste sind die Elemente Silizium (Si
Silikate. Karbonatgestein ist am häugsten in der Form von Sedimentgesteinen
2+
anzutreen und enthält Kalzium (Ca
2+
) und Magnesium (Mg
).
In Tabelle 1 ist die Häugkeit der Elemente in der Erdkruste und im Vergleich dazu in der Biomasse von Panzen dargestellt. Sauersto dominiert, da
die meisten Elemente in der oxidierten Form vorkommen. Auÿerdem ist ersichtlich, dass die chemische Zusammensetzung von Gesteinen und Panzen so unterschiedlich ist und die Panzen die essentiellen Nährstoe (vgl. Kapitel 13) gegen
einen steilen Konzentrations-Gradienten anreichern müssen. Die häugsten Ele-
4+
), nur
3+
3+
in geringen Mengen erforderlich (Fe
) oder sind sogar phytotoxisch (Al
). Der
mente in den Gesteinen sind für die Panzenernährung unerheblich (Si
wichtigste Einzelnährsto, der Sticksto (N) kommt im Gestein praktisch nicht
vor. Die panzliche Biomasse enthält hingegen eine grosse Menge an N.
21
Abbildung 5: Die Stellung der Böden im Kreislauf der Lithosphäre. (Blume
et al., 2002).
3.2.1
Gesteinstypen
Anmerkung: Die folgende Beschreibung ist unvollständig. Sehr gute Behandlungen des Themas sind u.a. in den folgenden Quellen zu nden:
•
Phantastisches Skriptum zu Mineralogie & Gesteinskunde:
geologieinfo.de/mineralogie/minskript1.php.
•
http://www.
Geologische Grundlagen für Österreich: Die Geologische Bundesanstalt
hat den kurzen Führer Rocky Austria zur Geologie Österreichs heraus
gegegeben. Er ist zur Gänze am Web abrufbar (http://www.geologie.
ac.at/RockyAustria/rocky_austria.htm)
und ideal für das Selbststu-
dium.
Böden entwickeln sich aus
Gesteinen, (i) magmatischen Gesteinen, (ii) me-
tamorphen Gesteinen und (iii) Sedimentgesteinen, die mit biogenem Material
in Kontakt kommen. Gesteine sind ihrerseits aus
Mineralen aufgebaut.
Gesteine unterliegen der chemischen und der physikalischen Verwitterung.
Die physikalische Verwitterung bewirkt eine mechanische Zerkleinerung der Gesteine und Minerale. Wichtigster Faktor ist hier die Temperatur (Temperaturverwitterung). Der häuge Wechsel von Erwärmung und Abkühlung der Gesteine führt im Inneren und an der Oberäche zu Spannungen, die den Zerfall
bewirken. Aber auch durch das Gefrieren von Wasser in Klüften und Rissen,
kommt es durch die Volumenausdehnung zu regelrechten Sprengungen der Gesteine (Frostsprengung). Neben der Temperatur spielen bei der physikalischen
Verwitterung noch Wind, Wasser und Eis eine Rolle (siehe Abbildung 6). Quelle
des Bildes:
http://www.gly.uga.edu/railsback/FieldImages.html.
Der Zerfall der Gesteine in kleinere Partikel durch die physikalische Verwitterung vergröÿert deren Oberäche, sodaÿ die chemische Verwitterung verstärkt ansetzen kann. Dabei werden die Minerale entweder unter Erhaltung der
Grundstruktur mehr oder weniger stark abgebaut, oder vollständig in ionare
22
Abbildung 6: Physikalische Verwitterung führt zur mechanischen Verkleinerung
von Gesteinen. Bildquelle: Internet.
und kolloide Zerfallsprodukte aufgelöst. Dies geschieht entweder durch (i) Säurewirkung (Regenwasser hat einen
pH-Wert
von
<
6.2. Es ist leicht sauer, weil
darin gelöstes CO2 als Kohlensäure, H2 CO3 , enthalten ist. Regenwasser ist oft
saurer weil es auch starke mineralische Säuren in geringen Konzentrationen enthält), (ii) Oxidationsvorgänge oder (iii) Hydrolyse (Spaltung unter Aufnahme
von Wasser). Die Produkte der chemischen Gesteinsverwitterung können gegenüber dem Ausgangsgestein so stark verändert sein, dass neue sekundäre Minerale
entstehen oder sich solche aus den ionaren und kolloiden Zerfallsprodukten bilden. Wichtige sekundäre Mineralien sind die sogenannten
Tonminerale
(siehe
Kapitel 3.3.2, die beim Abbau von Silikaten oder durch Neubildung aus den
kolloiden Zerfallsprodukten der chemischen Verwitterung entstehen. Tonminerale sind von kolloider Gröÿenordnung (< 2
µm), besitzen eine groÿe spezische
Oberäche, und sind aufgrund ihrer elektrischen Ladung in der Lage, panzliche
Nährstoe und Wasser in austauschbarer Form zu absorbieren.
Die Geschwindigkeit der chemischen Verwitterung und somit die Bildung
von Böden ist abhängig vom Klima (feuchtes und heiÿes Klima begünstigt die
chemische Verwitterung), der Gesteinshärte und dem Anteil basisch wirksamer
Kationen der Minerale, da diese der Säurewirkung (chemische Verwitterung)
entgegenwirken. So sind Böden aus Sediment- oder Ablagerungsgesteinen (z.B.
Löss) in der Regel tiefgründiger und verwittern somit schneller als Böden aus
festen Magmatiten (Erstarrungsgesteine wie z.B. Granit als Vertreter der Plutonite). Die Bodenbildungsprozesse der heutigen Böden begannen nach der letzten
Eiszeit vor ca. 10.000 Jahren. Dabei geht man von der Vorstellung aus, dass in
der letzten Eiszeit die Landschaft durch die Gletscher neu gestaltet wurde und
ältere Bodenbildungen durch Erosion verschwunden sind. - Im Periglazialraum
und in besonders geschützten Positionen innerhalb der vergletscherten Region
haben sich Bodenprole erhalten. Böden aus voreiszeitlichen Bodenbildungsprozessen, 'Paläoböden', sind wesentlich älter. Diese Böden haben viele Besonderheiten, die in der Spezialliteratur beschrieben sind (Retallack, 1990). Am
Bodenprol lässt sich ein Paläoboden an der stärkeren Rotfärbung erkennen,
die mit der langen Zeit der Oxidationswirkung erklärt wird.
Die Entwicklung vom Ausgangsgestein bis zum spezischen Bodentyp ist
ein langsamer Prozeÿ. Die heutigen Bodentypen sind keine Klimaxstadien, sondern entwickeln sich aufgrund der fortschreitenden Verwitterung ständig weiter.
Die am häugsten anzutreenden Bodentypen in Österreich sind Braunerden,
23
Parabraunerden, Podsole, Rendzinen und wasserbeeinusste Böden (Gleye und
Pseudogleye). Ihre Entstehung ist in der Regel abhängig vom Ausgangsgestein.
So entsteht z.B. aus Kalkstein eine Rendzina oder aus Sandstein ein Podsol
(siehe Kapitel 9.3, 12).
Teilprozesse der chemischen Verwitterung:
Hydratation: Auösung des Gesteins in Wasser (H2 O)
Hydrolyse: Auösung durch saure und basische Elemente des Wassers (H+ ,
OH
)
Oxidation von Metallen: Umwandlung von zwei-wertigem Eisen in dreiwertiges Eisen (Fe(II)
⇒
Fe(III)).
Komplexierung von Metallen
Die Rate der Verwitterung
R hängt von der Fläche A und einigen chemischen
Parametern ab:
R = k × A × g(CO2 , H + , . . .)
(1)
In der Gleichung 1 kommt Kohlendioxid (CO2 ) als treibendes Element der
chemischen Verwitterung vor. CO2 kommt im Boden in einer wesentlichen
höheren Konzentration als in der Atmosphäre frei, da es durch die Wurzelatmung (autotrophe Respiration) und die Atmung von Bodenmikroorganismen (heterotrophe Respiration) freigesetzt wird. Das CO2 entweicht entweder
aus dem Boden als Treibhausgas (Kapitel 10.4) oder es wird im Wasser gelöst
(CO2
+ H2 O ⇒ H2 CO3 )
und bildet die
Kohlensäure. Durch die Kohlensäure-
bildung enthält ein Boden immer eine mineralische Säure, welche die chemische
Verwitterung vorantreibt. - Durch den Abbau der organischen Substanz werden
organische Säuren gebildet. Weitere
anorganische Säuren kommen durch Regen in den Boden. Die gemeinsame
im Boden auch permanent verschiedene
Wirkung von Säurewirkung von H2 CO3 und organischen Säuren aus dem Abbau
der organischen Substanz wird als natürliche Bodenversauerung bezeichnet.
Weil die anorganischen (mineralischen) Säuren überwiegend durch menschliche
Aktivitäten in den Boden gelangen, spricht man von der anthropogenen Bodenversauerung.
Die
chemische Verwitterung ist ein Puerungsprozess,
mit dem der natür-
lichen Bodenversauerung entgegengewirkt wird (siehe Kapitel 7.2). Die Säuren werden im Boden durch die Verwitterung neutralisiert, indem die Protonen
+
(H -Ionen) der Säuren die Gesteine und Minerale angreifen und dabei gebunden werden. Im Gegenzug werden die Kationen des Kristallgitters der Minerale freigesetzt. Die freigesetzten Kationen sind teilweise für die Panzenernährung von Bedeutung. Die Nährstoe Kalium, Kalzium und Magnesium (basische Kationen) stammen allesamt aus der chemischen Gesteinsverwitterung.
Die Nährstoe, die durch Ernteentzüge oder durch Auswaschung (Abtransport
im Versickerungswasser) aus dem Boden exportiert werden, werden im Zuge
der chemischen Verwitterung langsam und stetig aus dem Gestein nachgeliefert
(Warfvinge et al., 1993).
3.3
Bodenbildung auf Karbonat und auf Silikat
Die österreichische Bodensystematik (Kapitel 12) unterscheidet auf einer hohen
hierarchischen Ebene zwischen Böden auf Silikat- und Böden auf Karbonatge-
24
Böden auf Silikat
terrestrische
Bodenbildung
Böden auf Karbonat
WasserVerhältnisse
hydromorpher
Boden
...
AT X 2ε
L
E
Abbildung 7: Die Geologie ist ein bestimmender Faktor für die Österreichische
Bodenklassikation.
stein (Abbildung 7). Wie im Kapitel 12.2 noch auszuführen sein wird, klassiziert man Böden (i) nach den Wasserverhältnissen am Standort, und danach
(ii) nach den geologischen Verhältnissen.
Die Bodenbildung auf Karbonatgestein ist einfach. Das Karbonat wird im
Zuge der chemischen Verwitterung gelöst.
→ Ca2+ + CO32
→ Ca2+ + M g 2+ + 2CO32
CaCO3
CaM g(CO3 )2
Kalziumkarbonat:
Dolomit:
2+
Die frei werdenden Ionen (Ca
, Mg
2+
(2)
(3)
) gehen in das Bodenwasser, das Kar-
bonat wird zu Kohlensäure und letztlich zu H2 O und CO2 umgesetzt. Damit
geht das feste Gestein rückstandsfrei in Lösung. Daher bestehen Böden auf reinem Karbonatgestein aus einem organischen Bodenhorizont (A-Horizont), und
einem Gesteinshorizont (C-Horizont);
Rendzina, siehe dazu Kapitel 12.1.
Das Ausgangsgestein der Bodenbildung ist aber selten rein. Beispiel: die
Nördlichen Kalkalpen bestehen grossteils aus Karbonatplatten, welche über äl-
3
teres silikatisches Gestein geschoben wurden . Im Gelände ist das Karbonat
daher oft mit anderen, nicht-karbonatischen Gesteinen durchsetzt. Im Zuge der
Bodenbildung verwittert das reine Karbonat ohne Rückstand, aber die silikatischen Verunreinigungen des Karbonats bleiben zurück und unterliegen der
weiteren Verwitterung. Daher ndet man im Gelände über Karbonatgestein (CHorizont) oft auch Bodenhorizonte, die einem silikatischem Gestein zuzuordnen
sind. Es kommt zur Bildung eines
Kalkstein-Braunlehms.
Bei der Verwitterung von silikatischen Gesteinen werden Tonminerale gebildet. Diese Tonminerale haben für die Nährstoverhältnisse eines Bodens sowie
3 siehe
Beschreibung der Alpenbildung in Rocky Austria
RockyAustria/images.
25
http://www.geologie.ac.at/
für den Wasserhaushalt eines Standortes eine überragende Bedeutung. Daher
wird ihnen in Lehrbüchern der Bodenkunde viel Raum gegeben. Der vielgestaltige Verwitterungshorizont (B-Horizont) bietet Merkmale der Bodenbeschreibung
und ist daher bei der Geländearbeit sehr aufschlussreich.
3.3.1
Die
Primäre Silikate
Silikate sind die häugsten gesteinsbildenden Minerale. Baustein
dieser Silikate ist der SiO4 -Tetraeder (Abbildung 9) und der AluminiumOktaeder. In den Silikatstrukturen können diese Tetraeder isoliert auftreten
oder aber über Sauerstobrücken (= Sauerstoonen, die gleichzeitig zwei SiO4 Tetraedern angehören) zu Gruppen, Ringen, Ketten, Schichten oder dreidimensionalen Gerüsten verbunden sein. Entsprechend unterscheidet man bei den Silikaten folgende Strukturtypen:
Inselsilikate: isolierte
[SiO4 ]4 -Tetraeder,
die durch zwischengelagerte Katio-
nen zusammengehalten werden (Verhältnis Si:O=1:4); Beispiele für Minerale: Olivin, Granat.
Gruppensilikate: Verbindung zweier
[SiO4 ]4 -Tetraeder über ein gemeinsames
Sauerstoon. Beispiel: Epidot.
Ringsilikate: geschlossene Ketten von verknüpften SiO4 -Tetraedern mit einem
Verhältnis von Si:O=1:3; Beispiel: Turmalin
Kettensilikate: zu Ketten verknüpfte SiO4 -Tetraeder. Je 2 Sauerstoe eines
Tetraeders gehören gleichzeitig zwei Tetraedern an (Verhältnis Si:O=1:3).
Die negativ geladenen Ketten werden wiederum durch Kationen zusammengehalten. Beispiel: Pyroxen.
Bändersilikate: jeweils zwei Tetraederketten zu einem Band verknüpft sind.
Beispiel: Amphibol.
Schichtsilikate: = Phyllosilikate; besitzen zu Schichten vernetzte SiO4 Tetraeder. Dabei bilden die SiO4 -Tetraeder vernetzte Sechserringe. Jeweils drei der vier Sauerstoe eines Tetraeders gehören gleichzeitig zwei
benachbarten Tetraedern an. Beispiele: Biotit, Muskovit, Chlorite, Serpentin, Talk, Pyrophyllit.
Gerüstsilikate: vollkommene Vernetzung der SiO4 -Tetraeder über alle Ecken,
d.h. alle Sauerstoe gehören gleichzeitig zwei Tetraedern an. Beispiele:
Quarz, Feldspäte, Feldspatvertreter, Zeolithe.
Wichtige Silikate
•
Feldspäte (Gerüstsilikate)
Orthoklas
Albit
KAlSi3 O8
N aAlSi3 O8
Anorthit
CaAl2 Si2 O8
Plagioklas (Mischung aus Albit und Anorthit)
•
Glimmer (Schichtsilikate)
26
Polyeder
Tabelle 2: Bauform von Silikaten
Minimales Verhältnis
Anzahl der Seiten
der Elementradien
Tetraeder
4
0.255
Oktaeder
8
0.414
Muskovit
Biotit
•
Pyroxen, Amphibol (Kettensilikate)
Augit
(Ca, M g, F e, Al, T i)2 (SiAl)2 O6
Hornblende
(Ca2 , M g, F e, Al)5 (SiAl)8 O22
Die Grundbausteine der Silizium-Tetraeder und Aluminium-Oktaeder bilden sich aufgrund von Gesetzmäÿigkeiten (Tabelle 2). Ein Tetraeder bildet sich,
wenn das Verhältnis der Ionenradien der gebundenen Elemente zumindest 0.255
beträgt. Bei der Verbindung
Silizium-Sauersto
beträgt dieses Verhältnis 0.3.
Silizium passt daher perfekt in eine Tetraeder-Struktur. Das Verhältnis der
Radien der Verbindung
Aluminium-Sauersto
Tabelle 2 ein Oktaeder, bei dem Al
3+
ist 0.41. Daher bildet sich nach
2
mit sechs Sauerstoatomen (O
) eine
Verbindung eingeht. Zur Wahrung der Ladungsneutralität teilen sich jeweils 2
benachbarte Aluminium-Zentren die negativen Ladungen ihrer Bindungspartner.
3.3.2
Tonminerale
Tonminerale sind
sekundäre Silikate,
die aus der chemischen Verwitterung der
primären Silikate entstehen. Aus Schichtsilikaten entstehen die Tonminerale
durch Aufweitung der Schichten, aus anderen Silikaten aus der Neuformierung
aus ionaren Bestandteilen (Tabelle 3).
Die Einheitszelle eines Silizium-Tetraeders ist in Abbildung 9 dargestellt. Bei
der ezientesten (energiesparendsten) Anordnung von vier negativ geladenen
Ionen (Liganden) um das vierfach positiv geladene Zentralatom entsteht ein
Silizium-Tetraeder.
Die Einheitszelle (SiOH4 -Tetraeder) kann mit anderen Einheitszellen polymerisieren. Dabei wird von den randständigen
OH
-Gruppen Wasser abgespal-
ten.
OH − Si(OH)2 − OH + OH − Si(OH)2 − OH →
→ OH − Si(OH)2 − O − Si(OH)2 − OH + H2 O
In der Abbildung 10 ist die Verkettung von Einheitszellen durch Poly-
4+
merisation graphisch dargestellt. Das zentrale Si
(
) hat jeweils 4 OH
-
Gruppen um sich. Durch Wasserabspaltung wird eine stabile chemische Verbindung zwischen den Einheitszellen eingegangen. Es entsteht eine
Schicht von
Silizium-Tetraedern, die sich ihrerseits durch Polymerisation mit einer Schicht
von Aluminium-Oktaedern verbindet.
Tonminerale sind Schichtsilikate.
27
Si 4+ •
OH −
Si(OH)4
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
2
−
ε
Tabelle 3: Vertreter der Tonminerale
2 Schicht-Tonminerale
Halloyisit
Kaolinit
3 Schicht - Tonminerale
Illit
Vermikulit
Smektit
Chlorit
Nach dem Aufbau unterscheidet man Zweischicht-Tonminerale und
Dreischicht-Tonminerale. Die wichtigsten Vertreter sind in Tabelle 3 genannt.
In der Abbildung 12 sind ein Vertreter der Zweischicht-Tonminerale, ein
Kaolinit, und ein Dreischicht-Tonmineral, ein Smektit dargestellt. Bei einem Zweischicht-Tonmineral sind eine Schicht Silizium-Tetraeder und eine
Schicht Aluminium-Oktaeder miteinander zu einem Schichtpakelt verknüpft.
Bei den Dreischicht-Tonmineralen ist die Schichtabfolge Silizium-Tetraeder /
Aluminium-Oktaeder / Silizium-Tetraeder. Diese Schichtpakete sind untrennbar miteinander verbunden. Zwischen den Schichtpaketen werden Nährstoe
und Wasser gebunden (siehe unten).
Isomorpher Ersatz: Bei der Bildung der Einheitszelle (sowohl im Tetraeder als auch im Oktaeder) wird in wenigen Fällen das Zentralatmom anstatt
mit einem
Si4+ -Ion
3+
(Tetraeder) oder einem Al
- Ion (Oktaeder) mit einen
3+
4+
anstelle von Si
2+
3+
im Tetraeder, oder Mn
) anstelle von Al
im Oktaeder) das Zentrum der
anderen Ion besetzt. Wenn ein anderswertiges Ion (z.B. Al
Einheitszelle besetzt, entsteht ein Ladungsdezit, weil
•
sich die Struktur der Einheitszelle nicht ändert, daher auf jeden Fall vier
randständige OH
•
-Gruppen und daher 4 negative Ladungen vorliegen,
sich aber im Zentrum nur mehr 2 oder 3 positive Ladungen benden.
Dieses Ladungsdezit wird durch die von weiteren Kationen ausgeglichen, die
sich überwiegend im Zwischenschichtbereich von Tonmineralen, d.i. der Bereich
zwischen den Schichtpaketen, benden (Abbildung 13). Die ladungsausgleichenden Kationen können Nährstoe (Kalium, Kalzium, Magnesium, Ammonium)
sein, aber Aluminium in seinen zahlreichen Spezies (Al-Polymere). Im geringen
Ausmass werden auch Spurenmetalle gebunden. Auch Wasser kann wegen seiner
Dipol-Natur elektrostatisch und durch Kapillarkräfte physikalisch im Zwischenschichtbereich von Tonmineralen gebunden werden. Die innere Oberäche eines Bodens stellt daher die Möglichkeit der Nährstobindung dar; vgl. Kapitel
7.4. Die tatsächliche Bindung von Nährstoen wird durch die Basensättigung
beschrieben; vgl. Kapitel 7.5.
Der isomorphe Ersatz schat die Bedingungen zur reversiblen Bindung von
Kationen. Anionen werden hingegen von der negativen SchichtladungTonminerale!Permanente negative Schichtladung abgestossen. Daher sind Böden nicht
in der Lage, das Anion Nitrat (NO3
zu binden. Daher ist Nitrat besonders
auswaschungsgefährdet und gelangt leicht ins Grundwasser.
Die hervorragenden
Eigenschaften der Tonminerale sind
30
Abbildung 12: Das Zweischicht-Tonmineral Kaolinit (Tetraederschicht / Oktaederschicht) (oben) und das Dreischicht-Tonmineral Smektit (Tetraederschicht / Oktaederschicht / Tetraederschicht) (unten).
31
Abbildung 13: Im Zwischenschichtbereich von Tonmineralen, d.i. der Raum zwischen den Schichtpaketen, können positiv geladene Nährstoe austauschbar gebunden werden. Quelle: Scheer & Schachtschabel (Blume et al., 2002).
Tabelle 4: Die wichtigsten Oxide der Böden
Element
Name
Formel
Farbe
Si
Quarz
SiO2
γ − Al(OH)3
α − F eOOH
γ − F eOOH
α − F e2 O3
4+
(M n3+
2 M n3 )O18 .R(H2 O)n
farblos
Al
Gibbsit
Fe
Goethit
Lepidokrokit
Hämatit
Mn
•
Birnessit
farblos
gelbbraun
orange
rot
schwarz
der isomorphe Ersatz erzeugt negative Überschussladungen, die durch die
reversible Bindung von Kationen im Zwischenschichtbereich ausgeglichen
wird
•
die sehr grosse innere Oberäche (der Raum zwischen den Schichtpaketen)
•
die Bindung von Wasser im Zwischenschichtbereich
•
die randständigen OH
-Gruppen der Si-Tetraeder und Al-Oktaeder kön-
nen jeweils ein Proton dissoziieren und haben dadurch zusätzliche Bindungsplätze für Kationen
3.3.3
Oxide
In der Tabelle 4 sind die Namen und die chemischen Formeln einiger wichtiger
Oxide genannt. Im folgenden ein paar wichtige Eigenschaften der Oxide:
Si-Oxid:
Si(OH)4 -Tetraeder, die durch Si − O − Si - Bindungen vernetzt sind
Al-Oxid:
Al3+
ist Zentralatom eines Oktaeders. 6OH
Spitzen des Oktaeders.
32
-Gruppen bilden die
Fe-Oxid:
OH
F e3+ ist das Zentralatoms eines Oktaeders. An Spitzen sind O2
und
. Unterschiede zwischen Oxiden sind in der räumlichen Anordnung
der Oktaeder; Bild in Scheer p 16.; Goethit: temperiertes Klima, Hämatit: tropisches Klima (Röte der tropischen Böden!), Lepidokrokit entsteht
durch langsame Oxidation von Fe(II) zu Fe(III); in tonigen, staunassen
Böden; metastabile Form, die zu Goethit umgewandelt wird.
Mn-Oxid: wird leichter reduziert als
F e(III),
daher frühere Anreicherung bei
reduzierenden Bodenbedingungen (→ Bildung eines Pseudogleys); MnOxide besonders aus der Verwitterung von Biotit
Die
Oxide
des
Silizium
(Si(OH)4 -Tetraeder)
und
des
Aluminiums
(Al(OH)3 - Gruppen, die zu Oktaedern vernetzt sind) sind chemisch genau gleich
wie die Tetraeder und Oktaeder der Tonminerale. Allerdings sind die Oxide nicht
zu Schichtsilikaten vernetzt. Für die Bindung von kationischen Nährstoen stehen daher nur die randständigen OH
-Gruppen der Si-Tetraeder, die ein Proton
dissoziieren können.
3.3.4
Karbonate
•
Kalzit
•
Dolomit
CaCO3
CaM g(CO3 )2
Bildung aus marinen Sedimenten (Sedimentgestein!) oder Ausfällung von
Ca(HCO3 )2
3.3.5
aus Bodenwasser.
Andere Minerale
•
Phosphat 'Apatit'
•
Gips
3.4
Ca(P O4 )3 (OH, F, CO3 )
CaSO4 .2H2 O
Gesteine
sind Mineralgemenge.
Magnatit: Erstarrung von Magma; Granit, Granodiorit
Sedimente:
•
Sandstein
•
Grauwacke
•
Karbonate
•
Löss
•
Ausedimente
Metamorphite
•
Gneis
•
Phyllit
•
Glimmerschiefer
33
4 Organische Substanz
4.1
Allgemeines
Humuskörper wird deniert als Gesamtheit des toten organischen Materials im Boden und wird unterteilt in
Der
den Auagehumus , d.i. die oberirdische Streu vom Panzenbestand, die auf
der Oberäche des Bodens liegt und nicht mit dem Mineralboden vermischt ist. Sein Anteil an organischer Substanz ist gröÿer oder gleich 30%),
und
den humushaltigen Mineralboden , d.i. die organische Substanz im Mineralboden, die durch den unterirdischen Streufall (absterbende Wurzeln)
in den Boden gelangt oder durch Bodenorganismen in den Mineralboden
eingearbeitet wird. Der Anteil des Mineralbodens an organischer Substanz
ist
Die
per denitionem
kleiner als 30%.
Quellen der organischen Substanz sind die oberirdische und unter-
irdische Streu des Panzenbestandes, die Huminstoe und die Abbauprodukte
von Mikroorganismen.
Morphologisch werden für die organische Substanz des Auagehumus die Humusformen (i) MullOrganische Substanz!Auagehumus, (ii) ModerOrganische Substanz!Auagehumus und (iii) RohhumusOrganische Substanz!Auagehumus unterschieden (Abbildung 14, Kapitel 4.2 und Tabelle 5).
Mull ist die Humusform, welche die höchste biologische Aktivität anzeigt.
Auf Böden mit Mullhumus wird die ankommende organische Substanz (Streu)
schnell abgebaut. Meist ist auf Böden mit Mullhumus nur wenig frische Streu
erkennbar, da der Abbau unverzüglich einsetzt. Die in der organischen Substanz gebundenen Nährstoe werden schnell durch
Mineralisierung wieder in den
Nährstokreislauf eingebracht. Die Umsetzungsrate von Nährstoen ist dementsprechend hoch. Auf Standorten mit Moder oder RohhumusOrganische Substanz!Auagehumus ist die biologische Umsetzung der organischen Substanz verzögert und das mittlere Alter der organischen Substanz beträgt mehrere Jahre.
Für die Verzögerung des Abbaus können verschiedene Gründe verantwortlich
sein. Beispiele sind niedrige Temperaturen, hohe Wassersättigung, saure Bodenbedingungen, aber auch die chemische Qualität der organischen Substanz.
Durch den verzögerten Nährstokreislauf ist die Produktionskraft dieser Böden geringer. Es können auf Standorten mit Moder- oder Rohhumusauagen
durchaus hohe Nährstovorräte in der organischen Substanz des Auagehumus
gebunden sein. Wenn aber die Bedingungen für die Mikroorganismen im Boden
ungünstig sind, werden diese Nährstoe nicht mineralisiert und stehen für die
Panzenernährung nicht zur Verfügung.
Die organische Substanz des Bodens kommt aus dem oberirdischen und interirdischen Streufall und der absterbenden Biomasse (Nekromasse) von Bodenorganismen. Streumaterial hat einen Kohlenstogehalt von
≈
50% (Tabelle 6,
(Jabiol et al., 2007)). Diese Biomasse wird von Regenwürmern, Arthropoden,
saprophytischen Pilzen und Bakterien konsumiert. Diese fragmentieren und verdauen die organische Substanz und bauen sie (im unterschiedlichen Umfang) in
den Boden ein. Ohne die Aktivität der Bodenorganismen würde die organische
Substanz im/am Boden akkumulieren und der Kohlenstokreislauf käme zum
Stillstand!
34
Tabelle 5: Eigenschaften des Humuskörpers von Böden unterschiedlicher biologischer AktivitätOrganische Substanz!Auagehumus; Quelle
bayern.de/lwfbericht/lwfber18
.
http://www.lwf.
Humusform
Mull
Moder
Rohhumus
bodenbiologische Aktivität
hoch
mittel
gering
Mechanische Zerkleinerung
hoch
mittel
gering
Bioturbation
hoch
mittel
gering
Mineralisation
hoch
mittel
gering
Huminsäuren.
Humine
alle
Humine
neutral
leicht sauer
sauer
Ah: 10-20
Oh: 20-25
> 25
organischen
hoch
mittel
gering
Freisetzung organisch gebunde-
hoch
mittel
gering
gebildete Huminstoe
Reaktion
C/N-Verhältnis des organischen
Fulvosäuren,
Materials
Zersetzbarkeit
der
Ausgangssubstanz
ner Nährelemente
Abbildung 14: Humusformen im Bild; links: Mull; die organische Substanz ist
in den Mineralboden eingearbeitet. Mitte: Moder; Ausbildung eines fahlen AHorizontes, darüber wenig zersetzte organische Substanz. Rechts: Rohhumus
oder Moder - Rohhumus; Anteil an unzersetzter Streu hoch. Quelle http://
www.baselland.ch/docs/bud/boden/fotos/boden/humusformen-druck.jpg.
35
Tabelle 6: Transport von organischer Substanz in den Boden mitteleuropäische
Ökosysteme (Jabiol et al., 2007).
Wald
Nicht-Wald
Tonnen pro Hektar und Jahr
oberirdische Streu
absterbende Wurzeln
absterbende mikrobielle Biomasse
Die
4
0 bis wenig
4-6
3-5
1
1
organische Substanz des Mineralbodens ist schwieriger zu beurtei-
len als der Auagehumus. Die durchschnittliche Abbaubarkeit der organischen
Substanz des Mineralbodens ist wesentlich geringer als die des Auagehumus.
Teilweise ist dafür die Stabilisierung der organischen Substanz durch die Bindung an die mineralischen Partikel verantwortlich. Dementsprechend ist die organische Substanz im Mineralboden auch viel älter. Durch die chemische Vielfalt der organischen Substanz muss sie im Detail untersucht werden. Anders
als bei den Humusformen stehen für die organische Substanz aus dem Geländebefund nur wenig Informationen zur Verfügung. Für gesicherte Aussagen sind
stets Laboruntersuchungen erforderlich, mit welchen die organische Substanz in
verschiedene Fraktionen unterteilt wird, welchen unterschiedliche Substrateigenschaften zugeordnet werden. Man unterscheidet die organische Substanz nach
ihrer Dichte und geht davon aus, dass die leichteste Fraktion auch die am schnellsten abbaubare Fraktion der organischen Substanz des Mineralboden ist. Selbst
die best abbaubare Fraktion hat eine mehrjährige Umsetzungsrate (von Lützow
et al., 2007; Kleber et al., 2007; Crow et al., 2007).
Beim Abbau der organischen Substanz entstehen
•
Huminstoe (d.s. komplexe, schlecht denierte organische Makromoleküle
•
eine groÿe Anzahl von bekannten organischen Verbindungen (Zellulose,
Stärke, Proteine, Phenole etc.), die ihrerseits dem biologischen Abbau unterliegen
•
CO2 als Resultat der heterotrophen Atmung, d.i. die Atmung der Mikroorganismen im Boden, die für ihre Energiegewinnung nicht den Prozess
der Photosynthese zur Verfügung haben, sondern auf fremde organische
Substanz (hetero) angewiesen sind. Je mehr CO2 beim Umsatz der organischen Substanz gebildet wird, desto geringer ist die Ezienz (carbon
use eciency, CUE) der Organismen. Bakterien haben i.a. eine geringere CUE als Pilze (De Deyn et al., 2008).
•
2+
mineralische Nährstoe (Ca
2+
, Mg
+
+
, K , NH4 etc.) werden aus der or-
ganischen Substanz freigesetzt; sie werden mineralisiert.
Die Bedeutung der organischen Substanz für die Fruchtbarkeit von Böden
kann gar nicht überschätzt werden. Sowie in historischer Zeit in Europa (d.i.
vor der Verfügbarkeit von mineralischen Düngemitteln) organische Dünger die
Haupt-Nährstoquelle für die Landwirtschaft gebildet hat, so spielt diese traditionelle Form der Landbewirtschaftung heute in den Entwicklungs- und Schwellenländer eine riesige Rolle (Abbildung 15).
36
Abbildung 15: Organische Substanz wird gesammelt und kompostiert und stellt
die wichtigste nicht-industrielle Nährstoquelle dar. Photo: Buthan, Gerhard
Glatzel.
4.2
Aufbau des Auagehumus
Die aktuelle Humusklassikation unterscheidet mehrere Humusformen (Jabiol
et al., 2007). Von oben nach unten können folgende Humusschichten aufeinander
folgen:
Litterschicht, Ol : erkennbare Panzenreste, etwa 10% Feinstreu, die nicht
mehr konkret einer Panze zuordenbar ist. Index l steht für litter.
Fragmentationsschicht, Of : bereits 10-70% Feinstreu und daher nicht oder
kaum einem Panzenteil zuordenbar. Index f steht für fermentation.
Humizierungsschicht, Oh : mehr als 70% Feinstreu und als Panzenteil unkenntlich. Index h steht für humication.
Zum Vergleich: Der mineralische A-Horizont gehört nicht zum Humus!!
Mullhumus : Ol dominiert, kontinuierlicher Übergang zum A-Horizont. Of ,
Oh werden nicht bebildet, weil der Abbau der organischen Substanz schnell
erfolgt.
Moder : kontinuierlicher Übergang Ol - Of - Oh - A-Horizont. Je nach nährstoreichtum variiert die Mächtigkeit des Oh . Günstige Abbaubedingungen: wenig Oh , ungünstige Abbaubedingungen: mehr Oh .
Rohhumus: deutliche Diskontinuität zwischen Auagehumus und A-Horizont.
37
Abbildung 16: Modell der chemischen Struktur von Humus (Schulten, 1995).
Abbildung 17: Die funktionellen Gruppen der organischen Substanz des Bodens
(Berg and Laskowski, 2006).
4.3
Die chemische Struktur der organischen Substanz
Die organische Substanz des Bodens ist chemisch ausserordentlich komplex. Es
gibt keine befriedigenden Modelle der chemischen Charakterisierung. Als Vorstellung sei ein Modell dargestellt (Abbildung 16). Die chemisch strukturelle
Aufklärung der organischen Substanz hat in den letzten 20 Jahren durch die
Kernresonanz-Spektroskopie grosse Fortschritte gemacht. Die Interpretation der
gewonnenen Spektren hat sich zu einem Spezialgebiet entwickelt.
Die entscheidende Eigenschaft der organischen Substanz in Bezug auf ihre
Funktionalität als Ionenaustaucher ist die Dichte an funktionellen Gruppen. In
Abbildung 17 sind viele davon dargestellt. Einige haben randständige OH
-
Gruppen, bei welchen Protonen dissoziieren können. Dadurch können kationische Nährstoe gebunden werden. Diese Argumentation wurde bereits bei den
Tonmineralen und den Oxiden verfolgt (Kapitel 3.3.2, 3.3.3).
Die vielfachen Interaktionen von organischer und anorganische Substanz im
Boden sind anhand eines Smektits, eines Eisenoxids, und eines Kaolinits in Abbildung 18 schematisch dargestellt. Die Haupt-Bindungsmechanismen sind elektrostatische Anziehungskräfte. Eine deutliche Zonierung der Anziehungskräfte
ist ersichtlich.
4.4
Der Abbau der organischen Substanz Prozess
Der Abbau der organischen Substanz ist ein wesentlicher Teil des biogeochemischen Kohlenstokreislaufes. Verschiedene Theorien werden diskutiert:
Temperaturabhängigkeit: Chemische/biologische Reaktionen werden von
der Temperatur bestimmt. Je wärmer es ist, desto höher ist die Rate der
Reaktion, da die Aktivität der Bodenmikroorganismen temperaturabhängig ist. (Q10 -Modelle)
38
Abbildung 18: Die Interaktion der organischen Substanz mit den mineralischen
Bodenbestandteilen ist vielfältig. (Kleber et al., 2007).
Substratabhängigkeit: Die Abbaubarkeit der organischen Substanz hängt
von der chemischen Struktur ab. Komplexere und höher oxidierte Moleküle sind schwerer abbaubar.
Oberächenbindung: Der entscheidende Faktor ist die Bindung der organische Substanz an mineralische Oberächen. Die organo-mineralischen
Verbindungen stabilisieren die organische Substanz.
Zusammenhang chemische Qualität der organischen Substanz und Abbaubarkeit. Meinung 1: Lignin schlecht abbaubar Meinung 2: alles leicht abbaubar,
was nicht an mineralische Oberächen gebunden ist
. . . zu diskutieren: Kleber et al.
Klaus Lorenz
Eine zusammenfassende Arbeit kommt zum Schluss, dass eine vollständige
Trennung der genannten Faktoren experimentell nicht möglich ist. Das Zusammenwirken der Faktoren wird in Abbildung 19 dargestellt. Viele hervorragende Publikationen geben zahlreiche neue Denkanstösse (Davidson and Janssens,
2006; Hartley and Ineson, 2008).
Im Simulationsmodell wird der Abbau der organischen Substanz durch Differentialgleichungen beschrieben. Darin ist ein zentraler Kohlenstopool, der
bei komplexeren Modellen wiederum unterteilt wird in leichter und schwerer
abbaubare Teil-Pools. Der Abbau wird durch Reaktionsraten beschrieben (Abbildung 20).
4.5
Exkurs zur organischen Landwirtschaft; organic farming
In der Landwirtschaft bestand bis in die 70-er Jahre das alles überstrahlende
Paradigma der Ertragsmaximierung. Damals wurde der Begri 'organic farming'
von britischen Bodenkundlern geprägt. Ziele sind
39
Abbildung 19: Bestimmende Faktoren für die Abbaubarkeit der organischen
Substanz; Temperatur, chemische Struktur, Umweltfaktoren (Davidson and
Kohlenstopool
Janssens, 2006).
k1
Grobwurzel
Bodenkohlensto durch Respiration
verloren.
Wurzelabbau !
Zeit
f1
δSOC
Bodenkohlenstoff
k2
Feinwurzel
f2
k3
=
k3 × SOC − f1 × GW − f2 × F W
=
−k1 × GW − f1 × GW
=
−k2 × F W − f2 × F W
δt
δGW
δt
δF W
δt
AT X 2ε
L
E
Abbildung 20: Fluss von Kohlensto im Boden zwischen der organischen Substanz des Bodens und lebenden Feinwurzeln (FW) und Grobwurzeln (GW);
Konzept Andrea Schnepf.
40
Tabelle 7: Organic farming - Kennzahlen(Macilwain, 2004).
Marktwert
Region
Mrd US$
ha
W-Europa
10.5
5 Mio
3.6
O-Europa
810 000
0.5
USA
[%] des Agrarlandes
11.75
1.4 Mio
0.3
0.1
5.8 Mio
0.7
Afrika
300 000
0.1
Mittlerer Osten
80 000
0.1
0.35
600 000
0.05
0.2
10 Mio
2.14
S-Amerika
Asien
Australien
•
Schutz der organischen Substanz durch Reduktion der Bodenbearbeitung.
Dieses Ziel steht auch im Einklang mit der später begonnen Diskussion
über die Rolle der Böden beim Klimawandel. Weniger intensiv bearbeitete Böden weisen weniger Humusschwund auf und enthalten daher mehr
Kohlensto
•
Verzicht auf Pestizide um in den biologischen Kreislauf möglichst wenig
einzugreifen
•
Reduktion der Erosion
•
verminderter Energieeinsatz
•
verringerter Bedarf an mineralischen (synthetisch hergestellten) Düngemitteln
Mit Stand 2004 werden weltweit etwa 70 Mio
ha
, d.s.
≈
2% der landwirt-
schaftlichen Fläche in Form von 'organic farming' genutzt (Tabelle 7). Österreich
ist in dieser Hinsicht ein Musterland. In Österreich ist das Ziel ein Anteil von
25% an der landwirtschaftlich genutzten Fläche.
Nicht alle der Erwartungen wurden im Praxistest bisher bestätigt. So konnte
in einem Schweizer Langzeit-Versuch (27 Jahre) kein Unterschied im BodenKohlenstogehalt zwischen konventioneller Landwirtschaft und organic farming festgestellt werden. In einem Vergleich von vielen Versuchen wurde der
vermeintliche positive Eekt von organic farming auf den BodenkohlenstoGehalt auf die Verabreichung von besonders groÿzügigen Mengen an organischen Düngemitteln zurückgeführt. Die gemessene Vergröÿerung der BodenKohlensto-Pools war daher eher der Nachweis des Eektes der Düngung als
eine Veränderung im standörtlichen Kohlensto-Kreislauf (Leifeld et al., 2009;
Leifeld and Fuhrer, 2010).
5 Physikalische Bodeneigenschaften
5.1
Bodentextur
Bodentextur, synonym Bodenart bezeichnet das Körnungsgemisch
des Feinbodens. Er besteht aus 3 verschiedenen Korngröÿen:
Die
41
Abbildung 21: Bodentextur und Porengrössen. Als Bodentextur werden die
Konrgrössen Ton, Schlu , Sand unterschieden. Bei den Bodenporen unterscheidet man Fein-, Mittel- und Grobporen.
Sand
Schlu
Ton
Alle Teilchen, die grösser als 2
2 mm bis 63 µm
2 µm bis 63 µm
< 2 µm
mm
sind, gehören zum
Grobboden. Je
nach der Rundung und Beschaenheit des Grobbodens spricht man von Kies,
Schotter, Stein oder Felsen. Abbildung 21 zeigt die Bodentextur in der weit
verbreiteten logarithmischen Darstellung.
Die 3 Korngrössen treten praktisch nie rein auf. Im Gelände trit man Gemische an. Häug überwiegt eine Korngrösse, und eine andere ist weniger dominant, aber wahrnehmbar. So kommt es beispielsweise zu Bezeichnungen wie
toniger Schlu , sandiger Schlu usw. Sind alle 3 Bestandteile gleich stark
vertreten spricht man von
Lehm. Zur Ansprache der Bodentextur im Gelände
siehe Kapitel 16.
Die Textur eines Bodens stellt man graphisch in einem Dreiecksdiagramm,
P Texturdreieck, dar (Abbildung 22). Dabei ergänzen sich die Korngrössen
dem
(
(Sand, Schlu, Ton)) zu 100%. Der Grobboden wird nicht mitgerechnet.
In Tabelle 12 sind beispielshaft Daten für die Korngrössenverteilung von
Waldböden in Deutschland angeführt. Besondere Bedeutung kommt den Korngrössen bei der Beurteilung des Wasserhaushaltes eines Bodens zu. Bei gleichem
Niederschlagsangebot ist die Wasserspeicherung im Boden je nach Bodenstruktur (Bodenart) unterschiedlich (vgl. Abbildung 26).
Die Korngrössen werden im
Labor durch eine kombinierte Siebungs- und
Sedimentationsmethode bestimmt. Von einer denierten Probenmenge werden
die gröberen Anteile (Sand, Teile des Schlues) abgesiebt. Der feine Schlu und
der Ton können nicht durch Siebung abgetrennt werden. Statt dessen wird die
unterschiedliche Absinkgeschwindigkeit der Teilchen zu deren Quantizierung
genutzt. Detaillierte Beschreibung siehe Methodenbücher (Blume et al., 2002).
42
Abbildung 22: Darstellung der Bodentextur im Dreiecksdiagramm. Punkt 1:
70% Sand, je 15% Ton und Schlu, Punkt 2: 20% Sand, 70% Schlu, 10% Ton.
5.2
Bodenstruktur
Denition: Unter Bodenstruktur versteht man die räumliche Anordnung der Bodenaggregate (=Bodenteilchen). Sie übt auf den Wasser, Luft-, Wärme- und Nährstohaushalt und auf das Wurzelwachstum
einen wesentlichen Einuÿ aus. Die Ansprache der Bodenstruktur im Gelände kann nur das mit dem freien Auge erkennbare Makrogefüge beurteilt werden - ergibt wertvolle Rückschlüsse auf entsprechende Eigenschaften oder Vorgänge im Boden.
Auf molekularer Ebene: die Struktur des Bodens wird durch van der
Waal'sche Kräfte und elektrostatische Bindungen verursacht,
mm-Bereich:
Teilchen werden durch Ausscheidungen der Mikroorganismen
(Exudate von Bakterien, Pilzen) und der Mesofauna (Regenwürmer) verklebt und dadurch strukturiert; vgl. Abbildung 45;
cm-Bereich:
Wurzeln verleihen Stabilität (Young and Crawford, 2004).
Gefügeformen, die im Gelände erkennbar sind, sind in Abbildung 23 dargestellt:
Einzelkornstruktur: Eine Aggregatbildung fehlt, die Bodenteilchen liegen lose nebeneinander, Feinsubstanz ist kaum oder nicht vorhanden (Sande
zeigen z.B. oft Einzelkornstrukturen).
Kohärentstruktur (Massivstruktur): Die Bodenteilchen sind durch Kolloidsubstanz zu einer nicht gegliederten Bodenmasse verklebt. Kohärentstruktur tritt vor allem bei schweren Böden an feuchten oder nassen Standorten auf; sie kann auch durch Ausfällung inltrierter Humusstoe hervorgerufen werden.
43
Aggregatstruktur: Die Aggregatstruktur kann folgende Ausbildung zeigen:
•
Plattige Struktur: Plattige Bodenaggregate, wobei die Fugen zwischen den Körpern waagrecht verlaufen.
•
Prismatische Struktur: Prismenähnliche, von fünf oder sechs Seitenächen begrenzte Aggregate. Sie sind wesentlich höher als breit und
stehen senkrecht im Boden. Die Seitenächen passen gut zusammen
(prismatisch-scharfkantig). Prismen sind erst in etwas gröÿeren Proltiefen anzutreen. Sind Seitenächen bzw. Kanten und Kopächen gerundet, so spricht man von Säulen- oder Kolumnarstruktur
(= prismatisch-kantengerundet).
•
Blockige Struktur: Die Aggregate sind durch unregelmäÿige Flächen
mit mehr oder weniger scharfen Kanten begrenzt, die Achsen sind
ungefähr gleich lang. Man unterscheidet nach der Ausbildung der
Kanten Polyederstruktur (= blockig-scharfkantig) und Subpolyederstruktur (= blockig-kantengerundet). Nach Auseinanderbrechen einer
Scholle lassen sich die Teile bei Vorliegen von scharfkantigen Aggregaten wieder zusammensetzen, Teile von Aggregaten mit gerundeten
Kanten aber kaum.
•
Körnige Struktur (Granularstruktur): Die Aggregate haben unregelmäÿige Umrisse, ihre Oberächen sind nicht aufeinander abgestimmt,
wodurch sich eine lockere Anordnung ergibt. Die Aggregatkanten sind
mehr oder weniger scharf, die längsten Durchmesser meist nicht gröÿer als 5
mm .
Diese Gefügeform ndet sich oft in den A-Horizonten
schwerer Böden.
•
Krümelige Struktur: Krümel sind mehr oder weniger runde, stark
poröse Aggregate mit sehr unterschiedlicher Stabilität. Sie entstehen
unter dem Einuÿ hoher biologischer Aktivität und intensiver Durchwurzelung. Sie sind zwischen 1 und 10
mm groÿ.
Durch Bodenbearbeitung (z.B. Pügen) entstehen Bodenfragmente mit rauher Oberäche. Nach ihrer Gröÿe werden sie eingeteilt in:
•
Bröckel (kleiner 50
•
Klumpen (Schollen) (gröÿer 50
Das
mm)
mm)
Krümelgefüge gilt als die ideale Bodenstruktur. Die Krümel sind
stabil, da die mineralischen Teilchen durch organische Verbindungen zusammengehalten werden (organo-mineralische Komplexe). Die innere Oberäche
ist groÿ, sodass groÿe Mengen an Nährstoen gebunden werden, und die Porosität der Krümel ist hoch. Damit können Bodenwasser und Bodenluft gespeichert
werden. Das Krümelgefüge wird ausschliesslich durch den Regenwurm erzeugt
(vgl. Kapitel 6, 6.4).
5.3
5.3.1
Bodenwasser
Wasserkreislauf
Die Wasserversorgung eines Bodens hängt vom Klima und von Lageparametern
ab. Der Wasserhaushalt für Mitteleuropa ist stark schematisch in Abbildung 24
44
Abbildung 23: Obere Graphik: Entwicklung der Gefügeformen vom Einzelkorngefüge beginnend aufgrund von Quellung und Schrumpfung, biologischer Prozesse und anthropogener Belastungen. a) Einzelkorngefüge, Grobsand; b) Kohärentgefüge, Löss; c) Kittgefüge, vorwiegend eisenoxidumhüllter Grobsand d)
Prismengefüge, Löss; e) Polyedergefüge, Bt -Horizont einer Löss-Parabraunerde;
f ) Subpolyedergefüge, Bv-Horizont, Löss; g) Krümelgefüge, Ap-Horizont, Löss;
h) Säulengefüge, i) Plattengefüge, Pugsohle
im Löss; (Blume et al., 2002); 45
untere Grak: Schematisierte Gefügeformen des Bodens in Feldanleitungen der
Bodenkunde.
Abbildung 24: Wasserkreislauf - Zahlen in cm charakteristisch für Mitteleuropa.
dargestellt. Etwas weniger als die Hälfte des Niederschlages sickert in den Boden
und bildet Grundwasser. Der grössere Teil wird im Zuge der Transpiration durch
Panzen an die Atmosphäre zurück gegeben. Die Rückhaltung des Wassers im
Boden, d.i. die Bindung des Wassers im Boden, hängt von der Bodentextur
(Kapitel 5.1) ab.
Wichtige Begrie zum Wasserkreislauf sind:
Niederschlag: Regen + Schnee; Faustzahlen: Raum Wien: 800
Salzburg 1100
mm pro
Jahr;
mm
Evaporation: Verdunstung von Wasser aus dem unbewachsenen Boden. Die
treibende Kraft ist der steile Gradient der Luftfeuchtigkeit: Im Boden ist
die Luftfeuchte
≈
100%, in der Luft deutlich weniger
Transpiration: Verdunstung von Wasser durch die Blätter der Vegetation.
Faustzahl: die tägliche Transpiration an einem schönen Sommertag ist
≈ 4mm.
Evapotranspiration: Summe von Evaporation und Transpiration
Versickerung: Wassertransport
im
Boden
nach
unten.
Grundwasser-
Neubildung!
Oberächenabuss: . . . verursacht Erosion.
Eine einfache Formel des Wasserkreislaufes wäre etwa
N = E + T ±S + V + A
| {z }
(4)
ET
wobei
N
. . . Niederschlag,
E
. . . Evaporation,
T
. . . Transpiration,
ET
. . . Evapotranspiration, S . . . Veränderung der Wassermenge im Boden (Zunahme oder Abnahme), V . . . Versickerung und A . . . Oberächenabuss.
Für das Bodenwasser werden eine Reihe von Begrien verwendet:
Sickerwasser: wird mit Gravitation nach unten verlagert
46
Haftwasser: wird gegen Gravitation im Boden zurück gehalten. Synonym: Bodenfeuchte
•
•
Adsorptionswasser: umhüllt feste Teilchen des Bodens
Kapillarwasser: in den Kapillaren (Bodenporen) werden
Menisken
gebildet. Panzen schöpfen den Wasservorrat in den Kapillaren aus
und können daher auch längere Trockenheiten überstehen. Achtung:
ein Teil des Wassers ist im Boden so stark durch Oberächenkräfte
gebunden, dass es niemals für Panzen verfügbar ist.
Grund- und Stauwasser: wird nicht gegen Schwerkraft verlagert und iesst
frei
5.3.2
Wasserpotentiale
Die Intensität der Wasserbindung im Boden wird durch Potentiale (Ψ) beschrieben.
Potential ist die Arbeit, die erforderlich ist, um Wasser von einem
Punkt zu einem Bezugspunkt zu transportieren. In der Regel:
. . . Arbeit, die erforderlich ist, Wasser aus einer Bodenpore gegen
die Schwerkraft und die Adsorptionskräfte der Bodenpartikel zur
Panzenwurzel zu bringen.
Die Bewegungen des Bodenwassers wie Inltration und kapillarer Aufstieg
lassen sich durch das Potentialkonzept auf einen Nenner bringen. Das Wasser
bewegt sich immer von einem Platz mit höherem Potential (=höherer potentieller Energie) zu einem Platz mit niedrigerem Potential.
Das Potential des Bodenwassers wird ganz allgemein mit Gleichung 5 beschrieben. Beim Bezug auf die Masse wird die Gleichung vereinfacht (Gleichung
6).
Ψ=m×b×h
Ψ=h
Bezug Höhe
Bezug Masse[m
Es bedeuten:
× b]
(5)
(6)
m . . . Masse des Wassers, b . . . Erdbeschleunigung, h . . . Höhe
h . . . Höhe der Wassersäule [cm Wassersäule; entspricht hPa].
über Grundwasser,
Das Wasserpotential kann in Teilpotentiale gegliedert werden.:
Ψ = Ψz + Ψm + Ψg + Ψo
(7)
Es bedeuten in Gleichung 7:
Gravitationspotential
Ψz :
Arbeit, die nötig ist um Wasser gegen Schwerkraft
zu heben
Matrixpotential
Ψm :
Maÿ für Einuss der Bodenmatrix; Synonym: Kapil-
larpotential. Je trockener der Boden, desto stärker wird Wasser durch
Oberächenkräfte in den Bodenporen (Kapillaren) zurück gehalten. Bei
abnehmendem Wassergehalt wird
Gaspotential
Ψg :
Ψm
stärker negativ.
falls Luftdruck im Boden vom Luftdruck am Bezugsniveau
abweicht (von untergeordneter Bedeutung!)
Osmotisches Potential
Ψo :
: hängt von der Menge gelöster Salze ab (von
untergeordneter Bedeutung!)
47
5.3.3
Wasserspannungskurven, pF-Kurven
Die Wassermenge, die bei einem bestimmten Matrixpotential im Boden vorliegt,
hängt vom Porenvolumen und der Porengröÿenverteilung (Kapitel 8) ab. Die
Beziehung zwischen Matrixpotential und Wassergehalt wird in der
pF-Kurve
dargestellt.
pF = log[cmWassersäule] = hPa
Die Vorstellung ist, dass Wasser gegen die Schwerkraft in den Panzen nach
oben bewegt wird. Wenn die Panzen direkt im Wasser stehen würde, wäre die
Wassersäule 0
cm und die aufzuwendene Arbeit um das Wasser anzuheben wäre
Null. Wenn die Panze sehr hoch über dem Wasserspiegel stehen würde, wäre
die erforderliche Arbeit natürlich gröÿer. Beim Wassertransport in eine Panze
müssen
Ψz
und
Ψm
überwunden werden.
In der Abbildung 25 sind die Unterschiede im Wassergehalt zwischen grobkörnigen Böden (Sand) und feinkörnigen Böden (Ton, Schlu, 'Lehm') bei Wassersättigung und bei trockenem Boden dargestellt.
pF-Kurven für mehrere Bodenarten (BodentexpF-Kurve wird auf der x-Achse der Wassergehalt und
Aus der Abbildung 26 sind
tur!) dargestellt. In der
auf der y-Achse die Wasserspannung aufgetragen. Ein voll wassergesättigter
Boden hat einen Wassergehalt von etwa 50 %, die anderen 50 % des Bodenvolumens werden von der Festphase eingenommen. Bei Wassersättigung sind alle
Bodenporen mit Wasser gefüllt. Bei abnehmenden Wassergehalt wird zuerst das
schwach im Boden gebundene Wasser verbraucht. Je niedriger der Wassergehalt
ist, desto stärker ist das Wasser im Boden gebunden. Die wesentlichen Charakteristika der
pF-Kurven
von Böden mit verschiedenen Texturen:
Sandboden: die weiten Grobporen bei abnehmenden Wassergehalt leicht und
schnell entleert; das danach verbleibende wenige Wasser (nur mehr
≈ 5%)
ist Adsorptions- und Kapillarwasser, das stark an der Bodenmatrix gebunden ist
Schluboden: Mittelporen dominieren; pF 2.5-4.2, d.i. Ψm -300 bis -15000 hPa
Tonboden: Feinporen dominieren
Vergleich: bei gleichem Wassergehalt ist die Bindungsstärke für Wasser in verschiedenen Böden Sand
•
<
Schlu
<
Ton
Das maximale Potential, das Panzen aufbringen können um dem Boden
Wasser zu entziehen beträgt
als 100
m).
pF
4.2
= 4.2 (=10
cm Wassersäule;
d.s. mehr
Die Panze kann aus dem Boden gerade noch Wasser aufneh-
men, für dessen Desorption von der Bodenoberäche eine Arbeit nötig ist,
mit der Wasser auch mehr als 100
m gehoben
werden könnte. Wasser, das
noch stärker gebunden ist, kann von Panzen nicht aufgenommen werden.
Man erreicht den
•
permanenten Welkepunkt.
Die Wasserspannung in einem Boden, die vorherrscht sobald alle Grobporen frei von Gravitationswasser sind, wird als
Feldkapazität bezeichnet.
Die Vorstellung ist, dass nach einem ausgiebigen Regen zuerst alle Bodenporen mit Wasser gefüllt sind. In den Stunden/Tagen nach dem Regen
48
Abbildung 25: Schematischer Vergleich des Wasser- und Lufthaushalts in
der sedimentogenen, monotonen Porenstruktur eines Sandes und der hierarchisch gegliederten Porenstruktur eines gut aggregierten Lehms im Stadium der Wassersättigung (oben) und Austrocknung (unten). Quelle: Klaus
v.Wilpert:
Waldböden
-
Grundlage
für
die
Multifunktionalität
von
Wäl-
http://www.waldwissen.net/themen/
waldoekologie/boden_standortkunde/fva_waldboden_multifunktion.pdf.
dern; download von WaldwissenNet
49
werden die Grobporen entwässert; das Wasser der Grobporen versickert
und speist den Grundwasserkörper. Die Bindung des in den Mittel- und
Feinporen verbliebenen Wassers ist die Feldkapazität.
Exkurs: höchster Baum:
Sequoia sempervirens
- Redwood, h=112.7 m. Die Transpiration
zieht Wasser aus Boden durch die Wurzeln,
durch das Xylem des Baumes und überwindet die Schwerkraft und die Reibung. Nach
24 Tagen ist es an der Baumspitze angekommen. Die Zugspannung, unter der das Wasser steht, ist an der Baumkrone am gröÿten. Allein durch Zugkraft kann Wasser nicht
100
mhoch
gehoben werden. Der Wasserfa-
den müÿte eigentlich abreissen. Redwoods haben einen speziellen Mechanismus entwickelt:
Wasser wird aus dem Xylem in frisch gebildete Zellen gepreÿt; die Zellen dehnen sich aus
(Turgordruck) (Woodward, 2004; Koch et al.,
2004).
Aus der Abbildung 27 kann ermessen werden, wie wichtig für Panzen der
Wasserhaushalt an einem Standort ist. Es kann getrost angenommen werden,
dass die Nährstoversorgung im Umfeld des links abgebildeten Baumes ähnlich
ist. Dennoch steht der Baum nur auf dem Kleinstandort, an dem oensichtlich
Wasser zur Verfügung steht. Nur bei einer ausreichenden Wasserverfügbarkeit
kann ein Baum gedeihen.
5.3.4
Methoden der Bestimmung der Wasserverfügbarkeit
Labor:
•
Wassergehaltsbestimmung
(Gewichts-%)
durch
Bestimmung
des
Ge-
wichtsverlustes einer Bodenprobe bei Trocknung bis Gewichtskonstanz.
Eine feldfrische Probe wird gewogen, bei 105
C
getrocknet und wieder
gewogen. Aus dem Gewichtsverlust wird der Wassergehalt errechnet.)
•
Erstellung einer
pF-Kurve
(vgl. Abbildung 26); Methode nach
Richards.
Dabei wird eine Bodenprobe mit Wasser gesättigt und gewogen. Dann
wird in einer Richards-Apparatur mit Druckluft Wasser aus der Probe
verdrängt und die Probe wird erneut gewogen. Die Probe wird wieder
mit Wasser gesättigt und und Wasser wird mit einem höheren Druck
verdrängt. Die Einzelmessungen Druck versus Wassergehalt ergeben die
pF-Kurve.
Beachte: im Labor wird die Saugspannung des Bodenwas-
sers (negativer Druck), durch Druck ersetzt, um dem Boden Wasser zu
entziehen.
Gelände:
50
Abbildung 26: Idealisierte
pF
Kurven für einen Sand-, einen Schlu- und einen
Tonboden.
Abbildung 27: Wasser ist die Leben oder noch pathetischer. Links: Baumwachstum in einer Steppe ist möglich, wenn Bodenwasser verfügbar ist; rechts:
auf extrem trockenen Standorten (Kalkalpen) nützen die Bäume die Klüfte
im Gestein um mit ihren Wurzeln in tiefere Bodenschichten vorzudringen um
dem Wasserbedarf zu decken.. Quelle:
lebensr.htm.
http://www.wien.gv.at/wald/quelle/
51
Tabelle 8: Durchschnittliche Zusammensetzung der Bodenluft in Volumsprozent.
Atmosphäre
Bodenluft
Sauersto
Kohlendioxid
20.95
0.03
Sticksto
79.0
<20.60
>0.2
≈
79
•
Time Domain Reectometry; bestimmt den volumetrischen Wassergehalt
•
Tensiometer; bestimmt Matrixpotential
•
Gipsblockmethode; die elektrische Leitfähigkeit im Gipsblock hängt von
Wassermenge in der Umgebung des Gipsblocks ab
5.4
Bodenluft Zusammensetzung
Die Bodenluft stellt die gasförmige Komponente des Drei-Phasen-Gemisches
Boden dar (fest-üssig-gasförmig). Bodenporen sind entweder mit Luft oder
Wasser gefüllt sind. Mit steigendem Wassergehalt sinkt der Bodenluftanteil und
umgekehrt.
Bodenluft besteht wie die atmosphärische Luft aus Sticksto (N2 ), Sauersto
(O2 ) und Kohlenstodioxid (CO2 ), ist aber insgesamt reicher an Kohlenstodioxid, da im Boden CO2 aus der Atmung der Wurzeln (autotrophe Atmung) und
der Mikroorganismen (heterotrophe Atmung) gebildet wird (Tabelle 8). Ausserdem können unter bestimmten Bedingungen andere Gase wie z.B. Ammoniak
(NH3 ), Schwefelwassersto (H2 S), Stickstooxide und Methan (CH4 ) enthalten
sein. Kohlendioxid, Methan und Stickstooxide verstärken den Treibhauseekt
der Erde und beschleunigen den Klimawandel.
Die Bodenluft ist wegen ihres Sauerstogehaltes eine wesentliche Voraussetzung für die lebenswichtigen Atmungsprozesse der meisten Bodenorganismen
und Panzenwurzeln. Darüber hinaus wirkt Bodenluft über Oxidations- und
Reduktionsprozesse bei der Bodenentwicklung mit.
Zwischen Bodenluft und Atmosphäre ndet ein permanenter Gasaustausch
statt. Der Input ist die Photosynthese, der Output die Boden- und die Panzenatmung. Die Atmosphäre und terrestrische Ökosysteme tauschen jährlich etwa 50
Pg C
aus. Dieser Fluss ist etwa das 6-fache der jährlichen CO2 -Emission
aus Verbrennungsprozessen (7-8.5
Pg C
(Körner, 2000)).
Die Bodendurchlüftung ist abhängig vom mengenmäÿigen Anteil und der
Kontinuität luftführender (Grob-)Poren, d.h. von der Körnung, dem Gefüge
und dem Wassergehalt des Bodens. Allgemein ist ein klüftiges, grobporiges Bodengefüge besser durchlüftet als ein dichtes und feinporenreiches. Eine gute
Durchlüftung des Bodens wirkt sich positiv auf die Lebensbedingungen aerober
Bodenlebewesen aus und fördert damit die biologische Aktivität des Bodens.
5.5
Bodenfarbe
Die Bodenfarbe wird im Gelände erhoben, um (i) eine verläÿliche Reproduzierbarkeit des beschriebenen Bodenproles zu ermöglichen und (ii) um Rückschlüsse auf einige Bodenprozesse zu ermöglichen. Eine objektive Kommunikation der
Bodenfarbe bedarf einer verbindlichen Denition von Farben. Weder Fotos noch
52
verbale Beschreibungen der Farbe sind ausreichend reproduzierbar. In der Bodenkunde wird das System der
verwendet.
4
Munsell-Farben (http://www.munsell.com)
Die Bestimmung der Bodenfarbe mit der Munsell Soil Color Chart gliedert
die Bodenfarbe durch Zahlen und Buchstaben nach
•
den Farbton (hue),
•
die Helligkeit (value),
•
die Farbintensität (chroma),
•
durch Farbbezeichnungen,
die auf Farbkarte angegeben sind. Beispiel: gelblich-braun: 10YR 5/6, wobei 10YR den Farbton angibt, die Helligkeit ist '5' und die Farbintensität ist '6'.
Für jeden Farbton gibt es eine eigene Farbtafel (d.i. eine eigene Seite in der Farbenkollektion von Munsell), auf der die Helligkeit von unten nach oben und die
Farbintensität von links nach rechts steigend angeordnet sind. Es können jeweils
auch Zwischenstufen angegeben werden. - Die Farbbestimmung wird an frischen
Prolanschnitten oder am Bohrkern, wenn möglich an Bruchächen, durchgeführt. Der Boden muÿ hierbei so stark durchfeuchtet sein oder angefeuchtet
werden, sodaÿ bei weiterer Anfeuchtung keine Farbänderung mehr eintritt. Es
wird die Grundfarbe der Böden bestimmt. Flecken und Konkretionen werden
gesondert angeführt.
Durch die Farbbestimmung erhält man Informationen über den Kohlenstogehalt und über Bodenprozesse (Viscarra Rossel et al., 2006). Ein biologisch aktiver, humusreicher Boden ist wesentlich dunkler als ein humusarmer
Boden. Wenn man nur einen ungefähren Anhaltspunkt für den Humusgehalt eines Bodens braucht, kann diese Information durch die Kenntnis der Bodenfarbe
bereits ausreichend erbracht werden und teure Laboranalysen können entfallen. Böden, die unter
Wassereinuss stehen (Pseudogley, Gley) haben eine
charakteristische fahle Färbung, die durch die Reduktion von Metalloxiden zustande kommt. Sehr
alte Böden im gemäÿigten Klimaraum oder tropische
Böden sind durch den Reichtum an Eisenoxiden mitunter kräg rostfarben und
rötlich gefärbt.
6 Bodenbiologie
6.1
Einteilung
Die im Boden lebenden Organismen bilden das Edaphon. Es besteht aus Bodenora und Bodenfauna. Die meisten Arten leben
aerob,
d.h. sie benötigen einen
ausreichend hohen Partialdruck an Sauersto in der Bodenluft. Die Bodenluft
bendet sich am verläÿlichsten in den Grobporen des Bodens, da nach einem
Niederschlagsereignis in diesen das Wasser rasch abieÿt (vgl. Kapitel 8). Nur
wenige Spezialisten unter den Bodenorganismen leben
4 Es
anaerob.
könnten natürlich auch andere Farbräume, etwa die häug in Grakprogrammen ver-
wendeten Farbtafeln RGB (Red-Blue-Green) oder CMYK angewendet werden. Die MunsellFarben habe sich aber in der Bodenkunde schon vor langer Zeit etabliert. Eine ausführliche
Diskussion der verwendeten Systeme kann nachgelesen werden (Viscarra Rossel et al., 2006).
53
Abbildung 28: Die drei Domänen Bakterien, Eukaryoten und Archaeen.
Man unterscheidet autotrophe Organismen, deren Kohlenstoquelle CO2
ist und die daraus im Zuge der Photosynthese Biomasse machen können. Heterotrophe Organismen erhalten ihren Kohlensto durch die Konsumation lebender oder toter organischer Substanz.
Bodenora: Bakterien, Pilze, Algen, unterirdische Panzenorgane
Bodenfauna: Protozoen, Nematoden, Schnecken, Würmer, Gliederfüssler;
weitere Einteilung in Mikro-, Meso- und Makrofauna
6.2
Beschreibung
Ein universeller Stammbaum der Lebewesen ist in Abbildung 28 angeführt.
Tiere und Panzen (höhere Panzen und Pilze) gehören zur Gruppe der
Eukaryoten (echter Zellkern). Die Mikroorganismen verteilen sich auf die
Reiche der Archaea und Bakterien.
Gültig ist die Einteilung in drei Domänen:
Bakterien: Die meisten kommerziell erhältlichen Antibiotika sind Produkte
von Boden-Bakterien der Gattung
Streptomyces.
Eukaryoten: haben im Unterschied zu Bakterien ihr genetisches Material in
einer internen Membran. Wichtigste Vertreter:
•
•
•
mehrzellige Panzen
Tiere
einzellige Eukaryoten (viele bekannt als Krankheitserreger, z.B. Giardia)
Archaea: einzellig, aber weder Bakterien noch einzellige Eukaryoten. Es sind
bei den Archaea keine Krankheitserreger bekannt. Genetische Informationsverarbeitung ist bei Menschen und Archaea gleich! Kommen unter extremen Bedingungen vor, etwa in heissen Säuren, die Stahl korrodieren, in
54
alkalischen Flüssigkeiten, die als Reinigungsmittel eingesetzt werden, unter Druck- und Temperaturbedingungen, die in Autoklaven (Herausforderung: Sterilisierung von medizinischen Instrumentenim Spital!) herrschen.
5 Die Archea haben eine
Sie werden daher als Extremophile bezeichnet.
Bedeutung im Stickstokreislauf in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen (Abbildung 61, Kapitel 10.2.3).
Lange Zeit galt es als unmöglich, den Familien-Stammbaum (die Phylogenie) der Bakterien darzustellen. Der Grund war, dass die Stammbäume auf-
6 Die Klassika-
grund von morphologischen Ähnlichkeiten entwickelt wurden.
tion der Mikroorganismen bedient sich genetischer Methoden. Die Idee der Sequenzierung von DNA geht auf Carl Woese zurück. Mit der Sequenzierung war
es möglich, Ähnlichkeiten von DNA-Sequenzen zu vergleichen. Diese Methode
ist auch bei Bakterien anwendbar, sodass eine Phylogenie aufgrund genetischer
Merkmale entwickelt werden kann. Erst die Forschungen von Woese haben die
Unterscheidung von Bakterien und Archaea (Abbildung 28) erlaubt.
Die Archaea haben zuletzt viel Aufmerksamkeit erregt als bekannt wurde,
dass sie beim ersten Schritt der Nitrikation (vgl. Kapitel 10.2.3), der Oxidation von Ammonium, eine grosse Rolle spielen (Leininger et al., 2006; Schleper,
2008). Bis vor kurzem hat man diese Funktion einigen spezialisierten Bakterien
zugeordnet.
Exkurs: Mikroorganismen können über Domain-Grenzen hinweg kooperieren. Das Wrack der Titanic etwa wird von einem makroskopisch erkennbaren
Konsortium von symbiontischen Mikroorganismen aller drei Domains konsumiert. Diese Superorganismen werden rusticles genannt. Die Titanic funktioniert dabei als enorm grosse Batterie, welche die Superorganismen betreibt.
Bakterien: in Wasserlm um Bodenpartikel, auch frei im Bodenwasser, gegen
Austrocknung
empndlich;
scheiden
Enzyme
zur
lokalen
Zersetzung
des Substrates aus; Nährstoaufnahme durch Diusion. Die Bakterien
kommen überwiegend in Form von Biolmen vor. Dabei gehen Bakterien von der frei-schwimmenden Lebensweise im Bodenwasser zu einer
adsorbierten Form an den Bodenoberächen ein. Die Artengemeinschaften einer Kolonie von Mikroorganismen in einem Biolm sind biodivers
(Kolter and Greenberg, 2006).
In neutralen bis basischen Böden, nicht in sauren Böden; zersetzen
eiweissreiche Substrate, daher in nährstoreichen Böden anzutreen. Ein
Stammbaum der Bakterien ist in Abbildung 29 dargestellt. Bakterien
gewinnen ihre Energie aus RedOx-Reaktionen und nützen die freiwerdende Energie bei der Freisetzung von Elektronen in Oxidationsreaktionen
und der Elektronenabsorption (Reduktion) in einer Reaktion auf einem
niedrigeren Energieniveau (Lane, 2006).
•
5 Tim
photoautotrophe Cyanobakterien in obersten mm des Bodens
Friend, 2007, The third domain: The untold story of Archea and the Future of
Biotechnology. Joseph Henry Press, 250 pp
6 Menschen
sehen den Gorillas und Schimpansen ähnlich, den Brüllaen weniger ähnlich,
und sind von einem Kohlkopf deutlich zu unterscheiden. Die morphologische Ähnlichkeit zeigt
die zeitliche Dauer der separaten Entwicklung im Zuge der Evolution an. Eine derartige
Vorgangsweise ist bei Bakterien zwecklos, da sie morphologisch Blasen, Stäbchen etc. sind.
Diese Kategorien sind für eine Phylogenie wertlos.
55
•
die meisten Bakterien sind chemo-heterotroph und beziehen die Energie aus dem Abbau von organischen Verbindungen
•
einige Bakterien sind chemo-autotroph und beziehen die Energie aus
der Oxidation anorganischer Verbindungen
Pilze: dringen mit Hyphen in das Substrat ein und erschliessen sich dadurch
Nährstoe. Bevorzugen neutrale bis saure Umgebungen und sind wesentlich am Kohlenstokreislauf beteiligt. Pilze besiedeln Böden, welche für
viele Bodenbakterien zu sauer sind. Daher ist in den Waldböden in der
Regel der Anteil an Pilzen an der mikrobiologischen Biomasse höher als
in landwirtschaftlich genutzten Böden.
Algen: leben an Bodenoberäche und in obersten
mm
des Bodens (Lichtbe-
darf !)
Wurzeln: gegliedert in Wurzelhaare, Fein- u Grobwurzeln
Protozoen: leben in wassergefüllten Poren und Wasserlmen um Partikel
Nematoden: leben in Wasserlmen um Partikel und in der Rhizosphäre.
Mollusken: meist an Bodenoberäche
Würmer: bilden mit 5% der totalen Boden-Biomasse den Hauptanteil der
Bodenfauna. Regenwurm ist Wappentier der Bodenkunde. Regenwürmer
(Lumbriciden) fressen sich in den Boden und hinterlassen Bioporen.
Streu wird dabei in tiefere Bodenschichten verlagert. Bioturbation, TonHumus-Komplexe durch erlesenen Geschmack
Arthropoden: darunter viele Räuber und saprophage Arten.
In Abbildung 31 sind die Grössenverhältnisse der Bodenfauna dargestellt. Im
Vergleich mit den Teilchengrössen der festen Bodenbestandteile (Kapitel 5.1)
und den Porengrössen (Kapitel 8) wird daraus deutlich, welche Lebensräume
den verschiedenen Organismentypen im Boden zur Verfügung steht.
Der Regenwurm (Lumbricus
terrestris)
kommt nur in Böden vor, die ihm
ein günstiges Milieu anbieten. Er ist säureempndlich und benötigt einen ausreichenden Wassergehalt und organische Substanz. Seine Funktion ist die Lockerung des Bodens und die Schaung der Krümelstruktur (vgl. Kapitel 5.2).
Durch die Bildung von Wurmröhren werden groÿe Poren geschaen, durch
die Wasser eindringen kann. Durch die Vermischung des Bodens verschiedener Horizonte haben Regenwürmer auch eine wichtige Rolle bei der Verteilung von Nährstoen im Boden. Die Aktvität der Regenwürmer ist auf den
Oberboden beschränkt. Eine eingehende Würdigung der Regenwürmer ist auf
http://www.hypersoil.uni-muenster.de/1/02/51.htm
zu nden.
Wie bei allen Arten gibt es Ausnahmen. Roswitha Bauer hat 1993 erstmals
die Art
Cognettia clarae, ein Vertreter der Oligochaeta, Enchytraeidae, beschrie-
ben. Untypischerweise kam das Geschöpf im Oh -Horizont eines Fichtenwaldes
vor und wurde als Sujet des Cover der Zeitschrift
rica Journal7
Abbildung 32.
7 Das
Soil Science Society of Ame-
in der Ausgabe 72 des Jahres 2008 gewählt (Galvan et al., 2008);
spricht wohl für die Unschuld des Mediums!
56
Abbildung 29: Stammbaum der Bakterien.
Abbildung 30: Aufbau eines Biolms: Einzelne Bakterien wechseln zwischen nomadischer und sesshafter Existenz. Beim Leben in Bakterienkolonien entwickeln
sich unterschiedliche Zelltypen und zu einer arbeitsteiligen Lebensweise, welche
die Besetzung von verschiedenen `Mikronischen' (dargestellt durch verschiedene
Farben) erlaubt (Kolter and Greenberg, 2006).
57
Abbildung 31: Logarithmische und lineare Darstellung der Grösse der Bodenfauna.
Eine interessante Entwicklung verläuft gerade in den Wäldern von Minnesota. Vermutlich durch Fischer, welche Regenwürmer als Köder verwenden, sind in
den vormals regenwurmfreien Laubwäldern Regenwürmer entkommen. Ortskundige berichten, dass im Laufe der Jahre an Bodenmerkmalen erkennbar war, wie
weit die Regenwürmer bereits von den Uferbänken in die angrenzenden Wälder
gewandert sind. Damit waren aus bodenkundlicher Perspektive die folgenden
Eekte verbunden:
•
der Auagehumus wurde mineralisiert
•
die Dicke und der Gehalt an organischer Substanz im A-Horizont nahm
zu
•
die Wurzelverteilung innerhalb des Bodenproles wurde verändert; die
Feinwurzeln reichen jetzt in tiefere Bodenschichten
•
die Stickstoverfügbarkeit für die heimischen Bäume wurde verschlechtert,
Farne gedeihen besser
Diese Eekte zeigen, wie ein Ökosystem durch einen vermeintlich marginalen
Prozess verändert werden kann (Hale et al., 2005).
In Australien
9
(Abbildung 32) .
8 The
8 kommt der Riesen-Regenwurm
Megascolides australis
vor
largest earthworm in the world, Megascolides australis, is found in Gippsland, Au-
stralia, and grows up to seven feet in length . . . . When disturbed, the worm squirts out a
series of pairs of jets of uid from a line of pores opening down each side of the body. The
eect can be most spectacular, for these jets rise as high as eighteen inches or two feet into the
air. Although there are reports that the uid has a corrosive action, it is only slightly alkaline
and contains some dissolved salts, body wastes like urea and some proteinous materials and
cells. The uid comes fram the worm's body cavity and is squirted out by violent contractions
of the body wall which force the uid out under great pressure through the pores. There is no
record of the uid having anything but a mildly irritating eect on the skin of human beings.
The uid is used for lining or lubricating the burrows of the worms. Nature 12 May, 1956.
9 The
insucient investigation of the physiology of the giant earthworm may be based on
the fact that only few of the greatest minds on earth deal with it. - Bill Bryson
58
Abbildung 32: Der Regenwurm
Cognettia clarae,
der zuerst in einem Fichten-
wald in Österreich beschrieben wurde (links) und der Giant Earthworm,
gascolides australis
Me-
(rechts), ohne den die Provinz Gippsland in Südaustralien
nicht die ihr zukommende Berühmtheit hätte.
Abbildung 33: Mykorrhiza: Pilze (dünne Härchen) auf der Oberäche von Panzenwurzeln können symbiontische Verbindungen mit den Höheren Panzen eingehen; Abbildung aus (Whiteld, 2007).
6.3
Mykorrhiza
Der Begri 'Mykorrhiza' setzt sich aus
mycos,
Pilz, und
rhizo,
Wurzel, zusam-
men. Mykorrhiza-Pilze gehen mit den Wurzeln der Höheren Panzen eine Symbiose ein. Als die Panzen vor 400-500 Millionen Jahren an Land gegangen sind,
waren ihre Wurzeln mykorrhiziert. Pilzhyphen sind wesentlich dünner als Feinwurzeln. Dadurch können sie Bodenbereiche erschliessen, die den Baumwurzeln
nicht zugänglich sind (Abbildung 33).
10
Funktionen der Mykorrhiza:
•
11 das die Möglichkeit der
Ausbildung eines weitreichenden Pilzmyzels
Wasser- und Nährstoaufnahme vergröÿert
•
Ausscheidung von Exoenzymen, welche schwer abbaubare Bestandteile der
organischen Substanz des Bodens mineralisieren
10 Eine interessante Darstellung zum aktuellen Forschungsstand ist in (Whiteld, 2007) nachzulesen.
11 Netzwerk
von Pilzhyphen mit 300 bis 8000 m Länge pro Meter Tiefe des Bodenprols
(Högberg and Read, 2006)
59
Tabelle 9: Investition (Allokation) von Energie aus der Netto-Primärproduktion
(NPP) in die unterirdischen Panzenteile im allgemeinen und in die Ektomykorrhiza. Quelle (Hobbie, 2006).
Baumart
NPP
Allokation ([%])
[kg C/ ha / Jahr]
unterirdisch
Ektomykorrhiza
Abies amabilis
11000
76
14
Pseudotsuga menziesii
12000
67
16
Pinus silvestris
5800
63
15
Betula nana
1800
?
12
•
Schutz der Panzen vor Pathogenen
Etwa 80% der Landpanzen sind mit Mykorrhiza-Pilzen assoziiert. Durch die
Mykorrhiza können viele Panzen zu einem unterirdischen Network verbunden
sein. Der Mykorrhiza kommt bei der Wasserversorgung und insbesonders bei
der Sticksto- und Phosphorversorgung der Panzen eine wichtige Bedeutung
zu.
Mykorrhizen ermöglichen es Panzen mitunter Standorte zu besiedeln, die
ohne Mykorrhiza einfach zu arm wären. Ektomycorrhiza-Pilze sind daher obligate Symbionten vieler Baumarten der gemäÿigten, borealen und tropischen
Klimazone (Eucalyptus, Pinaceae, Betulaceae, Salicaceae, Fagaceae, and Dipterocarpaceae). Eine grosse Zahl von Pilzen ist in der Lage, Symbiosen in der
Form von Mykorrhiza einzugehen. Die Versorgung der Panzen mit Nährstoffen und Wasser ist allerdings nicht umsonst. Die befallenen höheren Panzen
versorgen die Pilze mit Energie, d.i. Kohlensto-Zucker aus der Photosynthese.
Die Investition der Panzen ist mitunter beträchtlich. Bäume investieren etwa
20% ihrer Nettoprimärproduktion in die Ektomykorrhiza (vgl. Tabelle 9)
12 .
Typen der Mykorrhiza:
arbuskuläre Mykorrhiza, AMF Symbiose zwischen Wurzeln der meisten
terrestrischen Panzen und Pilzen der Gattung
Glomeromycota.
Aus der
Sicht der Evolution ist es die älteste und am weitesten verbreitete Form
der Mykorrhiza. Charakteristisch sind die Arbuskel (intensiv verzweigte
Pilzhyphen), Knäuel von Hyphen und die Vesikel; AMF vermehren sich
seit 400-500 Jahren asexuell (siehe Hyphal fungi, Nature 433, E3-4; Sanders 1999
No sex please, we are fungi.
Nature 399, 737-739)..
Ektomykorrhiza ist die Symbiose zwischen Bäumen und Pilzen der Gattung
Basidiomycota.
Die Pilze kolonisieren die Wurzeln extrazellulär und for-
men einen dicken Mantel von Hyphen. Gemeinsam mit dem Myzel im
Boden nennt man diese Pilze das Hartig'sche Netz.
In Tabelle 10 sind die wichtigsten Formen der Mykorrhiza abgebildet und
beschrieben.
Ein wenig widersprüchlich ist die Rolle der Mykorrhizen im Kontext von
'global warming'. Es wird vermutet, dass die organische Substanz, die aus dem
12 Suzanne
Simard, et al. 2002: Carbon and nutrient uxes within and between mycorrhizal
plants. In MGA van der Heiden et al. (eds), Mycorrhizal Ecology. Berlin, Germany, Springer,
33-74: Bereich der C-Allokation ist 10-50% der NPP
60
http://www.soilfoodweb.com/
sfi_html/research/02_Endomycor_DIC_light.html.
Tabelle 10: Formen der Mykorrhiza. Quelle:
Endomykorrhiza: Darstellung ist Segment einer
Feinwurzel, durch das Mikroskop betrachtet. Die
blauen Strukturen in der Wurzel sind die nährstoaufnehmenden Teile eines symbiontisch lebenden Pilzes, der innerhalb (endo) der Wurzelzellen
der Wirtspanze lebt. Diese Pilze heissen vesikulärarbuskuläre Mykorrhizen, VAM und kommen im
Wurzelsystem vieler Panzen vor. Die VAM-Pilze
bringen der Panze P, andere Nährstoe und Wasser
und schützen die Wurzeln vor parasitischen Nematoden und Fäulepilzen. In gedüngten (meist landwirtschaftlich genutzten) Böden fehlen die VAMs.
Ektomykorrhiza an einer Baumwurzel. Der
Eine
Wurzelhabitus wird dadurch verändert. Wurzeln mit
E. können Nährstoe (Phosphor, Sticksto ) und
Wasser besonders gut aufnehmen und sind vor Nematoden und Fäulepilzen geschützt. Böden ohne
E. können geimpft werden. Die Impfung mit Mykorrhizen ndet statt, wenn besonders schwierige Standorte (z.B. Gebirgsstandorte) aufgeforstet werden.
Eine
Ektomykorrhiza, die bei einem Waldspazier-
gang mit hoher Wahrscheinlichkeit gefunden werden
kann.
Ein Abschnitt einer Feinwurzel mit Endomykcorrhiza. Die Strukturen innerhalb der Wurzel haben sich
von nährstoaufnehmenden Knötchen (Arbuskel)
in Vesikel verwandelt.
Wurzelknöllchen, die durch die Infektion des Wurzelgewebes mit
61
Rhizobium
hervorgerufen werden.
Abbildung
34:
links:
Regenwürmer,
die
Wappentiere
der
Bodenkunde.
. . . kommen nur bei günstigen Bodenbedingungen vor; Mitte: die Wurmröhren
sind reich an organischer Substanz, da die Regenwürmer Panzenreste nach
unten transportieren und da die Wurmröhre der Wurzel das Wachstum nach
unten erleichtert und die organische Substanz der Wurzel nach deren Absterben
zurück bleibt; (c) schematische Darstellung von (b).
Myzel der Mykorrhizapilze gebildet wird, schwer abbaubar ist. Damit kann die
temperaturbedingte Erhöhung der Mineralisierungsrate wieder gesenkt werden.
Zwischen den Mykorrhizapilzen und den saprophytischen Pilzen wurde in
skandinavischen Wäldern eine Arbeitsteilung nachgewiesen. Demnach wird von
den Saprophyten im Auagehumus Kohlensto mobilisiert, während die EktoMykorrhizen tiefer im Mineralboden vor allem zur Stickstoversorgung der Höheren Panzen beitragen (Lindahl et al., 2007). Diese Hypothese wurde bereits
vor einigen Jahren aufgestellt und von Lindahl mittels
13
stätigt.
6.4
15
N-Untersuchungen be-
Regenwürmer (Annelida: Oligochaeta: Lumbricidae)
Regenwürmer sind Schlüsselspieler! (Abbildung 34). Sie sind die Bodentiere mit
der günstigsten Wirkung in terrestrischen Ökosystemen der gemässigten Zone.
Sie spielen eine wichtige Rolle bei biogeochemischen Kreisläufen, der Kohlenstospeicherung im Boden, der Bildung der Bodenstruktur . . . . Regenwürmer
leben in einem und fressen ein extrem nährstoarmes Substrat, den Boden. Daher ist es bis heute rätselhaft, wie sie eine so günstige Wirkung auf den Boden
ausüben können. Lange Zeit wurde die Hypothese vertreten, dass in den Intestinen der Würmer spezisch wirkende Mikroorganismen leben ('Sleeping beauty
14 )). Der Nachweis ist aber bisher nicht ge-
hypothesis (Lavelle et al. 1995,1997
lungen. Ein anderer Zugang ist, dass das Innere von Regenwürmern besonders
P-reich ist und dass der
pH-Wert
dort hoch ist, sodass die Ausscheidungen von
Regenwürmern basisch und nährstoreich sind.
Die besonderen Leistungen der Regenwürmer können wie folgt zusammengefaÿt werden:
13 Mona
N. Högberg, Erland Bååth, Anders Nordgren, Kristina Arnebrant and Peter Hög-
berg. Contrasting eects of nitrogen availability on plant carbon supply to mycorrhizal fungi
and saprotrophs - a hypothesis based on eld observations in boreal forest. New Phytologist,
160:225-238, 2003.
14 Eur
J Soil Biol 33,159-193, 1997; beauty:Plant and Soil 170,23-33, 1995.
62
•
ziehen organische Substanz in den Unterboden
•
durchmischen Auagehumus und Mineralbodenhorizonte
•
bilden Krümel; Krümelgefüge ist das günstiges Bodengefüge und entsteht
nur mit Mitwirkung der Regenwürmer
•
biogeochemische Kreisläufe im Boden (C- und N-Kreislauf )
Anekdote: In den Waldböden Minnesotas fehlten bisher die Regenwürmer
(junge Böden, nährstoarm). Rezente Ausbreitung der Regenwürmer wird durch
Sportscher verursacht: in der Nähe von Fliessgewässern werden Regenwürmer
freigesetzt und besiedeln die Böden. Die Ausbreitungsfront ist im Gelände deutlich erkennbar: die regenbewurmten Böden sind biologisch durchmischt und ermöglichen die Existenz einer anspruchsvolleren Vegetation.
6.5
Nahrungskette im Boden
In artenreichen Systemen wie Böden sind die Artenzahlen so hoch, dass eine
Gruppierung der Arten nach Funktionen sinnvoll ist. In Nahrungsketten sind
die Einheiten nicht biologische Arten, sondern Gruppen von biologische Funktionsträgern. Eine Möglichkeit ist die Unterscheidung von
•
Primärproduzenten,
•
Primärzersetzern und
•
Predatoren.
Die Mitglieder von trophischen Einheiten konsumieren ähnliche Arten als
Beute und haben daher auf die Population der Beute ähnliche Wirkungen. Dabei
entsteht das Problem, dass Bodentiere exibel sind und daher nicht unbedingt
einem trophischen Niveau eindeutig zuordenbar sind. Springschwänze können
etwa Pilze, Algen, Streu oder andere Bodentiere fressen und sind somit herbivor,
mikrobivor, detrivor oder räuberisch.
Die trophische Struktur eines nährstoreichen Waldbodens ist in Abbildung
35 dargestellt. Die mechanische Zerkleinerung der Streu durch Räuber ist ein
ganz wichtiger Prozess, da er die Oberäche der Streu vergröÿert und den folgenden Organismen entlang der Nahrungskette mehr Zugang zum Substrat verschat.
Zur Beurteilung der Nahrungskette in einem Boden ist zuerst wichtig, welche
Organismen-Gruppen vertreten sind. Die Möglichkeiten der Analyse der mikrobiellen Gesellschaftsstruktur sind (i) Mikroskopie, (ii) Verwendung von Biomarkern, und (iii) genetische Methoden (Joergensen and Emmerling, 2006). Eine
relativ
einfache Verwendung von Biomarkern ist die Analyse mit der Phospho-
Lipid-Fatty-Acids (PLFA) - Methode. Verschiedene Organismengruppen haben
in den Phospho-Lipiden ihrer Membranen charakteristische Gruppen, die im Labor isolierbar und fraktionierbar und daher unterscheidbar sind. So sind Pilze
in der Fraktion 18:2Ω6 zu nden, d.h. sie haben 18 C-Atome in einer Kette, mit
2 Doppelbindungen, die auf Position 7 sitzen, Gram-negative Bakterien ndet
man im Spektrum auf 16:1Ω7c, u.s.w. Ein Beispiel für ein PLFA-Spektrum ist in
Abbildung 36 gegeben. Zur Interpretation: ist zu beachten, dass das Spektrum
63
Trophisches Niveau
Räuber
Sekundärzersetzer
Primärzersetzer
Nahrung
Spinnen
Käfer
Lumbricidae
traeidae
Primär&SekundärZersetzer
andere
zersetze
Streu
EnchyCollembolae
Oribatidae
Streu
Abbildung 35: Nahrungskette der Bodenfauna in einem Buchenwald (Scheu,
2002).
Abbildung 36: PLFA Spektrum für einen Waldboden; Achenkirch, Tirol.
keinen Hinweis auf die absoluten mikrobiellen Biomassen der einzelnen Organismengruppen gibt. Der Einsatz der PLFA-Spektren ist daher nur sinnvoll,
wenn verschiedene Situationen (Behandlungen, Standorte, Zeitpunkte) verglichen werden sollen. Die PLFA-Methode bietet
relative Vergleiche
über die
Zusammensetzung der Bodenmikroorganismen! Ausserdem kann weder mit der
Mikroskopie noch mit Biomarkern die tatsächliche Aktivität der Organismen-
15 -
gruppen bestimmt werden. Beide Methoden erfassen nur die Anwesenheit.
Die zukunftsträchtigen Methoden der Analyse von Boden-Mikroorganismen mit
genetischen Methoden (. . . siehe
Spezialvorlesungen der Bodenmikrobiologie)
ist
derzeit noch teuer. Es ist ausserdem schwierig, Bodenmirkoorganismen zu kultivieren (Gewin, 2006);
•
Primärzersetzer: Bakterien, Pilze, Regenwürmer, Springschwänze
•
Sekundärzersetzer: Regenwürmer, Enchytraeiden, Springschwänze
Ein eindrucksvoller Beleg für eine Nahrungskette bzw. für die Arbeitsteilung
zwischen Pilzen und Bakterien im Boden ist in Abbildung 37 dargestellt. In
15 . . . der
Vergleich mit den Teilnehmern einer Vorlesung liegt auf der Hand.
64
Abbildung 37: Die Enzyme von Pilzen und Bakterien können verschiedene Substrate aufschliessen. Streubestandteile werden von Pilzen aufgearbeitet, der freiwerdende Zucker steht Bakterien zur Verfügung. Quelle: Kathrin Riedel, Projekt
MicDif,
file: omics.ppt.
einem Laborversuch wurden Pilzen und Bakterien in einer Nährlösung verschiedene Substrate zur Verdauung angeboten. Der erste Substrattyp war Buchenstreu, der zweite war die besonders leicht abbaubare Glukose. Sowohl die Pilze
als auch die Bakterien scheiden Enzyme aus, um das Substrat zu erschlissen. Im
Versuch wurde gezeigt, dass Pilze ausschliesslich die Buchenstreu, nicht aber die
Glukose als Substrat verwendet haben. Die Bakterien haben sich hingegen ausschliesslich von Glukose ernährt und waren nicht in der Lage, die Buchenstreu
abzubauen.
Die Nahrungskette kann bisweilen komplex sein (Abbildung 38). Die dargestellte Nahrungskette ist als Muster zu verstehen. Sollte eine OrganismenGruppe an einem Standort fehlen, kann eine andere Gruppe deren Arbeit übernehmen.
Wenn allerdings die Bodenbedingungen sehr ungünstig sind, wird die ganze
Nahrungskette gebremst oder sogar unterbrochen. Beispiele sind mit Spurenmetallen belastete Böden, die etwa im Umfeld von Bergbauminen auftreten, oder
besonders saure Böden. Es nden sich auf diesen Standorten zwar Spezialisten,
welche die belastete organische Substanz des Bodens aufarbeiten können. Der
Prozess geht aber dann sehr langsam vor sich. Erkennbar sind diese Standorte an
der Akkumulation von organischer Substanz am Boden und der scharfen Trennung zwischen dem Auagehumus (in diesem Fall oft Rohhumus; vgl. Kapitel 4)
und dem Mineralboden.
Mikroorganismen besiedeln mineralische Oberächen (vgl. Abbildung 30).
Es ist möglich, dass sie im Zuge der Besiedlung Säuren ausscheiden, welche
zur chemischen Verwitterung beitragen können. Besonders auf extrem nährstoarmen Standorten könnte den Höheren Panzen damit ein Nährstopool
65
vorhandenen Gruppen ist entscheidend. Die Gruppen von Organismen können
zueinander neutral, unterstützend oder hindernd (neutral, inhibitive, facilitive)
sein. Ökosysteme mit der gleichen Artenanzahl aber unterschiedlichen Artenkombinationen können sich unterschiedlich verhalten.
Viele Studien der Biodiversität nehmen die Vielfalt der Panzen als Referenz. Diese Studien haben gezeigt, dass häug (nicht immer!) die Produktivität
in Gemeinschaften mit hohen Artenzahlen gröÿer ist als in Gemeinschaften mit
niedrigen Artenzahlen. Diese Erkenntnis widerspricht der gängigen Meinung,
daÿ die produktivsten Ökosysteme oft durch eine geringe Artenvielfalt ausgezeichnet sind (vgl. Monokulturen in Land- und Forstwirtschaft und in Blumenbeeten). Für die Stabilität von Ökosystemen ist die Biodiversität vermutlich
nicht sehr bedeutend. Es wird aber vermutet, dass bei sich ändernden Bedingungen die Biodiversität eine Art 'Versicherung' für die Stabilität des Ökosystems
darstellt.
Einigkeit besteht, dass es Untergrenzen der Biodiversität gibt, deren Unterschreitung die Stabilität des Ökosystems gefährdet. Welche Prozesse genau
betroen sind, ist oft eine Frage der Empirie (Loreau et al., 2001).
Nicht-diverse Ökosysteme können extrem produktiv sein. Ein bekanntes Beispiel ist
Spiegelman's Monster. Sol Spiegelman verwendete RNA eines einfachen
Virus (Qβ ) und versorgte ihn mit wenigen freien Aminosäuren und Salzen. Er
übernahm die neu gebildete RNA jeweils in ein neues Gefäÿ. In dem denierten
Umfeld des Labors bildeten sich immer kürzere (einfachere) RNA-Stränge, die
sich immer schneller replizierten. Nach 74 Generationen mit ursprünglich 4,500
Basen hatte sich ein Monster mit nur 218 Basen gebildet, das sich enorm schnell
vermehrte. Das Spiegelman-Monster war aber nur in seiner engen Umgebung
erfolgreich und konnte unter keinen anderen Bedingungen als im Reagenzglas
überleben (Kacian et al., 1972).
Ein Laborversuch hatte zu Beginn eine maximale Ausgeglichenheit an Arten,
die in Abbildung 39 als Symbole dargestellt sind. In einem nichtgestressten Medium ist das artenarme (nicht-ausgeglichene) Medium das produktivsten (dargestellt durch die Grösse des Quadrates). Bei Stress sind diese artenarmen Ökosysteme aber relativ schwach und verlieren ihre Funktionalität (Naeem, 2009).
Beispiel: Mikrokosmos-Experiment mit Kombinationen von 2 bis 8 Arten:
teilweise gegenseitige Inhibierung, tlw Unterstützung (Heemsbergen et al., 2004;
McCann, 2000; Tilman et al., 2001).
6.7
Rhizosphäre
Die Rhizosphäre (Abbildung 40) nimmt nur ganz wenige
mm rings um die Wur-
zel ein. In dieser Schicht unterscheiden sich die chemischen und biologischen
Bedingungen entscheidend vom 'Rest' des Bodens, den man etwa in einer gesiebten Bodenprobe vor sich hat. In der Rhizosphäre werden die Nährstoe aus
dem Boden aufgenommen und die Wurzelausscheidungen angereichert. Viele
Bodenorganismen leben unmittelbar an der Wurzel. Die Rhizosphäre ist der
Reaktionsraum des Bodens. In der Abbildung 40 sind die folgenden Zonen der
Ausscheidungen von Wurzel-Exsudaten erkennbar (Jones et al., 2009):
1. Verlust der Wurzelspitze und der angrenzenden Zellen
2. Ausscheidung von unlöslichem Mucilage
67
Tabelle 11: Bilder zu Bodenorganismen / Nahrungskette / Biodiversität. Quel-
http://www.soilfoodweb.com/sfi_html/research/02_Endomycor_DIC_
light.html.
le:
Die berauschende Schönheit von Bakterien.
Beispiel einer nützlichen Nematodenart,
die
Bodenbakterien,
Panzenwurzeln
sind
aber
verzehrt.
proteinreich
(N!!).
keine
Bakterien
Nematoden
verdauen das Eiweiss und scheiden es
als leicht panzenverfügbaren Sticksto
aus.
Sie
spielen
daher
eine
wichtige
Rolle im Stickstokreislauf (vgl. Kapitel 10.2.3).
Die Hyphe eines Bodenpilzes
Viele Bodenbakterien und -pilze bauen
die
organische
Substanz
des
Boden
ab. Sie bauen die Zellulose von Holz,
Blättern, Nadeln ab und führen den
darin gebundenen Kohlensto in die
organische Substanz des Bodens zurück
(Dekomposition).
⇒
Beginn der food
web.
Bodenprotozoen fressen Bakterien und
setzen
panzenverfügbaren
frei. Ciliatae.
68
Sticksto
Abbildung 39: Biodiversiät unter verschiedenen Umweltbedingungen. Bei günstigen Bedingungen (links) sind artenarme Gesellschaften sehr produktiv. Bei
ungünstigen Bedingungen (rechts) kann die Produktivität der artenarmen Gesellschaften im Vergleich zu artenreichen Gesellschaften unter eben diesen Bedingungen stark verringert sein.
Abbildung 40: Die Rhizosphäre in einer Grossaufnahme (links) und Längsschnitt durch eine Wurzel, welche die Zonen der Ausscheidung von Material
zeigt (rechts). Quelle des Längsschnittes (Jones et al., 2009). Erklärungen zu
den Nummern in der rechten Abbildung im Text.
3. Absonderung von wasserlöslichen Exsudaten
4. Verlust von üchtigen Kohlensto-Verbindungen
5. Verlust von Kohlensto an Symbionten (z.B. arbuskuläre Mykorrhizas)
6. Kohlenstoverlust durch Absterben und Auösen der Wurzelepidermnis
Ein typisches Beispiel für einen Rhizosphäreneekt zeigt die Abbildung 53.
Der Boden wurde mit einem Indikator versetzt, der die lokale Bodenversauerung
in der Rhizosphäre sichtbar macht. Dieser kommt zustande, weil die Panzen die
versauernd wirkenden Protonen aus dem eigenen Stokreislauf an den Boden
abgeben und im Gegenzug dazu die kationischen Nährstoe (vor allem Kalzium,
Magnesium, Kalium) aufnehmen.
69
6.8
Einuss der Umweltbedingungen auf die biologische
Aktivität
Einuss von
pH
und Temperatur auf Atmungsvorgänge
Wechsel von Wasser feucht / trocken Stimulierende Wirkung
Respiration im Boden
Welche Gruppen der Bodenora / Bodenfauna
Was machen Bodenorganismen?
Zwischen Boden und Vegetation gibt es Interaktionen. Auf produktiven Böden werden die Umsetzungsprozess von Bakterien dominiert, auf schlechteren
Böden hingegen von Pilzen; vgl. Abbildung 41.
7 Bodenchemie
7.1
Sorption von Kationen im Boden
Die Sorption von Kationen ndet an der inneren Oberäche des Bodens statt.
Es sind dazu negativ geladene Bodenpartien notwendig. Die Oberächenladung
kommt durch die permanente negative Schichtladung und durch funktionelle
Gruppen der organischen Substanz zustande.
permanente negative Schichtladung: Der wichtigste Beitrag zur permanenten negativen Schichtladung wird vom isomorphen Ersatz verursacht.
Vgl. dazu Kapitel 3.3.2. Die permanente negative Schichtladung ist eine Eigenschaft der Tonminerale und ist vom
pH-Wert
des Bodens unabhängig.
In tonarmen Böden ist die permanente negative Schichtladung gering. Die
permanente negative Schichtladung ist als Eigenschaft von Tonmineralen
(sekundären Silikaten) an die Bodenbildung aus silikatischem Gestein
gebunden. Aus Karbonatgestein bilden sich keine Tonminerale!
variable Schichtladung: Die variable Schichtladung kommt durch die Dis+
soziation von H
aus der randständigen OH
-Gruppe von Oxiden und
Tonmineralen zustande. Sie ist variabel, da sie vom
abhängt. Bei hohem
pH
pH-Wert
des Bodens
ist sie gering, da alle Positionen protoniert sind.
funktionelle Gruppen: Die organische Substanz ist chemisch vielgestaltig.
Die funktionenellen Gruppen R-COOH (Carboxylgruppe), R-OH (Phenolgruppe, falls R ein Benzolring ist), R-NH2 (Aminogruppe) können ein
Proton dissoziieren und sind dann negativ geladen. An diese Anionen können sich kationische Nährstoe anlagern:
R − COOH
R − N H2
...
→ R − COO + H +
→ R − N H + H+
K1
K2
(8)
(9)
(10)
Die Stärke der Bindung von Kationen an der negativ geladenen Bodenoberäche hängt ab von
70
Abbildung 41: Vielfache Wechselwirkungen zwischen Panzen und Boden. In
der Abbildung sind zahlreiche Begrie, die im Kontext mit einem guten und
einem schlechten Boden verwendet werden (Wardle et al., 2004). Diese Wertung
richtet sich oenbar nach der Produktionsfähigkeit des Bodens.
71
•
. . . der Konzentration der Kationen in der Bodenlösung. Jene Elemente,
die in der Bodenlösung höher konzentriert vorliegen, werden auch die Sorptionsplätze dominieren!
•
16
. . . der Ladung und Grösse des Kations. Kleine, hoch geladene Kationen
3+
werden stärker sorbiert als groÿe, weniger geladene Teilchen
+
(z.B. K ). Die Eintauschstärke der Kationen in einem konkreten Boden
(z.B. Al
wird mit Adsorptions-Isothermen beschrieben.
7.2
17
Puerbereiche
Im Boden laufen chemische Reaktionen ab, die den Säuregehalt des Bodens
eektiv regulieren. Diese Regulation durch Puerung ist wichtig, weil dann die
Bodenorganismen und Wurzeln ein ausgeglichenes chemisches Milieu vornden.
In (mitteleuropäischen) Böden ist aufgrund des humiden Klimas die Menge
des Niederschlagswassers gröÿer als die Wassermenge die verdunstet (Evapotranspiration). Das überschüssige Wasser, das nicht im Boden gebunden wird, versickert ins Grundwasser, wird ausgewaschen und nimmt v.a. basisch wirksame
Kationen mit. Verbunden mit natürlich sauren Niederschlägen, also auch ohne
anthropogenen Einuss, kann man (in Mitteleuropa) von einer natürlichen Tendenz zur Versauerung sprechen. Aus diesem Grund werden die Puerfunktionen
der Böden vor allem in der Abschwächung von sauren Einträgen betrachtet.
+
Puer im Boden sind organische und anorganische Verbindungen, die H Ionen aufnehmen können, und damit eine saure Reaktion oder einen sauren
Eintrag abschwächen.
Es existieren folgende Puerbereiche:
•
Kohlensäure-Karbonat-Puerbereich (pH 6,2 bis 8,6; neutral)
Auösung von festem Karbonatgestein und karbonathaltigen Lockersedimenten
•
Kohlensäure-Silikat-Puerbereich (pH 5,0 bis 6,2; schwach sauer)
•
Austauscher-Puerbereich (pH 4,2 bis 5,0; mäÿig sauer)
am Austauscher gebundene Kationen werden von den mineralischen Oberächen desorbiert
•
Aluminium-Puerbereich (pH 3,0 bis 4,2; stark sauer)
Tonzerstörung
•
Eisen-Puerbereich (pH
<
3,0; extrem sauer)
Karbonatpuer
+
CaCO3 + H → HCO3 + Ca2+
HCO3 + H + → H2 CO3 → H2 O + CO2
8 − 6.5
7 − 4.5
(11)
(12)
Austauscher mit variabler Ladung
16 Vergleich
mit einer Volksschulklasse, die einen öentlichen Bus stürmt. Die Chancen der
Erwachsenen auf Sitzplätze sind dürftig und können nur durch Erziehungsversuche erhöht
werden.
17 Details
dazu in den Spezialvorlesungen der Bodenchemie.
72
[T M − OH] K + H + → [T M − OH2 ] + K +
[(T M − OH)2 ] Ca + 2H + → [(T M − OH)2 ] + Ca2+
8−5
8−5
(13)
6−3
6−3
(15)
<7
<7
<5
(17)
< 4.8
<3
(20)
(14)
organischer Austauscher mit variabler Ladung
[R − COO] K + H + → [R − COOH] + K +
[(R − COO)2 ] Ca + 2H + → [(R − COOH)2 ] + Ca2+
(16)
Silikate
+
[SiO] K + H → SiOH + K +
[SiO]2 Ca + 2H + → [SiOH2 ] + Ca2+
[(SiO)3 Al] + 3H + → (SiOH)3 + Al3+
(18)
(19)
Oxide
+
3+
Al(OH)3 + 3H → Al + 3H2 O
F eOOH + 3H + → F e3+ + 2H2 O
Es
bedeuten
TM
. . . Tonmineral,
R
. . . organischer
(21)
Säurerest,
[]
. . . Material im Gesteinsverband.
In der Abbildung 42 ist dargestellt, wie bei der Bodenversauerung sequentiell
ein Puerbereich nach dem anderen verbraucht wird. Die Grösse des Aluminiumpuers hängt vom Tongehalt des Bodens ab. In tonreichen Böden ist der
Aluminiumpuer (Zerstürung der Alumo-Silikate) fast unerschöpich.
Ausführliche Beschreibungen der Puerbereiche sind rar (Schwertmann
et al., 1987). Die klassische Arbeit von Professor Ulrich (Ulrich, 1981) gibt
neben den bodenkundlichen Informationen auch einen interessanten Einblick in
die Besorgnis der 1980er Jahre, dass der Saure Regen zu einer nachhaltigen
Schädigung der Ökosysteme führen wird.
7.3
Der
pH-Wert
des Bodens
pH-Wert ist ein Maÿ für die Menge an Säure- bzw. Base in einer Lösung. Der
pondus = Gewicht; hydrogenium
Begri leitet sich von Pondus Hydrogenii (lat.
= Wassersto ) ab.
• pH
0 bis
• pH
= 7 entspricht einer neutralen Lösung
• pH >7
<7
entspricht einer sauren Lösung
bis 14 entspricht einer alkalischen Lösung
Genau bestimmt werden kann der
pH-Wert
mit Hilfe von
pH-Elektroden
im Labor oder mit einer beträchtlichen Ungenauigkeit mit einem UniversalIndikator und dem Vergleich mit einer Farbskala. Grundsätzlich beeinusst der
pH-Wert
des Bodens die Verfügbarkeit der Nährsalze (zum Beispiel Fe-Mangel
neutralem und alkalischem
pH-Wert).
pH-Werte die Panzenorgane (saurer Regen, Ver-
Zudem schädigen extreme
ätzungen).
Für den Nährstohaushalt von Panzen ist (neben Phosphor, Schwefel und
Kalium Sticksto von besonderer Bedeutung. Sticksto wird fast immer in Form
+
von wasserlöslichem Ammonium (NH4
Ionen) oder häuger als Nitrat (NO3
73
pH-Wert
Karbonatpuer
7
Austauscherpuer
5
Aluminiumpuer
Protonierung
3
wenig
LATEX2ε , bodkurja.tex
mittel
Nature Geoscience Bowman et al. Nov 2008
viel
Kumulativer Input
von Protonen
Abbildung 42: Puerbereiche bei fortschreitender Bodenbelastung mit Protonen
+
(H ).
74
Ionen) aufgenommen. Ammonium und Nitrat stehen in Böden mit einem
+
pH-
Wert von 7 im Gleichgewicht. Bei sauren Böden überwiegen die NH4 Ionen, bei
alkalischen Böden überwiegen die NO3 Ionen.
Wenn nun eine Panze aufgrund der Durchlässigkeit der Wurzelmembranen
+
nur NH4 aufnehmen kann, ist sie an saure Böden gebunden und dementsprechend obligat acidophil (säureliebend). Wenn sie nur Nitrat NO3
aufnehmen
kann, kann sie nur auf basenreichen Böden wachsen (obligat basophil). Wenn
sie jedoch sowohl Ammonium, als auch Nitrat aufnehmen kann, kann sie sowohl
auf sauren als auch auf basenreichen Böden wachsen. In Kunstdüngern wird
Ammoniumnitrat (NH4 NO3 ) verwendet, ein Salz aus Ammonium- und NitratIonen.
Viele Panzenarten bevorzugen einen bestimmten
pH-Bereich.
Wenn dieser
Idealbereich nur leicht über- oder unterschritten wird, ist für die meisten Panzen ein normales Wachstum noch ohne weiteres möglich, zumal ein ungeeigneter
pH-Wert durch andere das Wachstum beeinussende Faktoren ausgeglichen werden kann (zum Beispiel Sonneneinstrahlung, Nährstogehalt und so weiter).
Bei übermäÿig hohem oder niedrigem
pH-Wert sind die Nährstoe im Boden
festgelegt und stehen somit für die Panzen nur noch unzureichend zur Verfü-
pH-Wert für Panzen giftige Stoe
pHWert ist der negative dekadische Logarithmus (log) der molaren Konzentration
der Wassersto-Ionen in einer wässrigen Lösung. (Exakter: Der pH-Wert ist
gung. Auÿerdem werden bei einem sehr tiefen
des Bodens freigesetzt. Dazu gehören Aluminium- und Mangan-Ionen. Der
der negative Wert des dekadischen Logarithmus der gemessenen Aktivität der
Hydroniumionen in einer Lösung.)
pH = − log10 [H3 O+ ]
Ein Absenken des
pH-Wertes
(22)
um eine Einheit bedeutet daher eine Ver-
zehnfachung der Hydroniumionen-Konzentration. Wird die HydroniumionenKonzentration durch Verdünnung einer Lösung auf ein Zehntel der ursprünglichen Konzentration gesenkt, steigt der
Analog zum
pH-Wert
pH-Wert
um eine Einheit.
deniert man den pOH-Wert als den negativen deka-
dischen Logarithmus der molaren Konzentration der Hydroxid-Ionen in einer
wässrigen Lösung:
pOH = − log10 [OH ]
Wie schon erwähnt gibt man
(23)
pH-Werte zwischen 0 (stark sauer) und 14 (stark
alkalisch) an. Wie allerdings aus der Denition hervorgeht, kann er theoretisch
bei starken Basen auch gröÿer als 14 und bei starken Säuren auch kleiner als 0
sein. In der Praxis hat dies allerdings keine Bedeutung, da sich solche
pH-Werte
mit handelsüblichen Messgeräten nicht mehr messen lassen.
pH-Wert 7, zum Beispiel von Wasser bei 25 C. Nach der
H3 O+ vor. Die H3 O+ -Konzentration beträgt nach der
+
Wasser (also der Reaktion 2H2 O → H3 O + OH )
10 7
Als neutral gilt der
Denition kommen auch
Autoprotolyse von
mol L 1 . Aufgrund der Temperaturabhängigkeit dieser Reaktion ist auch
pH-Wert des Neutralpunktes temperaturabhängig. In wässrigen Lösungen
für den pH- und den pOH-Wert der Zusammenhang: pH + pOH = 14.
der
gilt
Lässt man Wasser an der Luft stehen, nimmt es aufgrund der sich durch
Lösen von Kohlendioxid bildenden Kohlensäure einen
CO2 + H2 O
→ H2 CO3
75
pH-Wert
von etwa 5 an.
(24)
H2 CO3
HCO3
→ H + + HCO3
→ H + + CO32
(25)
(26)
Zur Bodenversauerung durch Nährstoaufnahme siehe Kapitel 10 und insbesondere die Abbildungen 52 und 53. Zur Bodenversauerung durch Stickstomineralisierung siehe Kapitel 10.
7.4
Kationenaustauschkapazität KAK
Böden können Anionen und Kationen mehr oder weniger reversibel an feste, immobile Oberächen binden (adsorbieren) und so deren Auswaschung verzögern
oder verhindern. In Böden sind überwiegend Partikel mit negativ geladenen
Oberächen, die als Kationenaustauscher wirken (vgl. Kapitel 7.1, 3.3.2, 3.3.3).
Kationenaustauscher dienen als Reservoir für Panzennährstoe, die durch Ionenaustauschvorgänge nach und nach an die Bodenlösung abgegeben und von
den Wurzeln aufgenommen werden können. Der Kationenaustausch wird als
chemische Reaktion formuliert:
XCa + M g 2+ → XM g + Ca2+
wobei
X
(27)
die mineralische Bodenoberäche ist.
Die Kationenaustauschkapazität hängt ab von der Art und der Menge der
Tonminerale, vom Gehalt an organischer Substanz und ihrer Zusammensetzung sowie untergeordnet vom Schlugehalt und vom Anteil pedogener Oxide. Die Kationenaustauschkapazität der in mitteleuropäischen Böden überwiegenden illitischen Tone beträgt im Mittel (angegeben in Ladungsträgern) 5
mmol/kg
Ton und 0,5
mmol/kg
Schlu. Die Fähigkeit Kationen zu adsorbie-
pH-Wert
pH-Wert. Mit dem pH-Wert ändert sich auch
ren, hängt bei pedogenen Oxiden und der organischen Substanz vom
ab, sie erhöht sich mit steigendem
die Belegung der Kationenaustauscher. So überwiegen in basischen bis schwach
2+
+
am Kationenbelag der
+
3+
Austauscher; in stark sauren Böden herrschen H und Al
vor.
sauren Böden die Kationen Ca
Die
, Mg
2+
+
, K , und Na
Kationenaustauschkapazität eines Bodens kennzeichnet die austauschba-
re Kationenmenge (mmol Ladungen) bezogen auf eine bestimmte Bodenmas-
potenzielle Kationenaustauschkapazität bei einem
pH-Wert von 8,2 und als eektive Kationenaustauschkapazität beim aktuellen
pH-Wert des jeweiligen Bodens bestimmt. Die potenzielle Kationenaustauschka-
se (kg Boden). Sie wird als
pazität schwankt in Abhängigkeit vom Tongehalt der Böden ganz erheblich: in
Tonböden kann sie über 200
häug unter 5
mmol/kg
mmol/kg
Boden liegen, in humusarmen Sandböden
Boden.
Zum Kationenkreislauf und dessen Beeinussung durch die Nährstoaufnahme vgl. Abbildung 52 in Kapitel 10.
7.5
Basensättigung
Für die Festphase des Bodens wird der Basen-/Säurezustand häug durch die
Basensättigung beschrieben. Diese errechnet sich als prozentueller Anteil
scher Kationen
basi-
(Ca, Mg, K, Na) an der Summe aller austauschbaren Kationen.
Es zeigt sich allgemein, dass oberhalb eines Wertes für die Basensättigung von
15% in der Regel der Wert für die basischen Kationen in der Bodenlösung bereits
76
über 60% liegt. Oberhalb einer Basensättigung von 50% ist der prozentuale Anteil der basischen Kationen in der Bodenlösung konstant bei 100%. Insofern ist
eine Basensättigung der Bodenfestphase unter 15% als gering oder sehr gering
und über 15% als zumindest ausreichend zu bezeichnen.
Die Basensättigung ist immer im Zusammenhang mit der Kationenaustauschkapazität (KAK) zu sehen. Ein Boden mit einer hohen Basensättigung
kann im Falle einer geringen KAK nur wenige Nährstoe für die Panzenernährung anbieten; andrerseits reicht bei einer hohen KAK bereits eine recht geringe
Basensättigung für die Versorgung der Panzen mit Nährstoen.
Zu den Einheiten:
• KAK:
mmol Ladungsäquivalente pro kg Boden;
P
(Ca2+ , M g 2+ , K + , N a+ , H + , Al3+ , F e3+ , M n2+ )
•
Basensättigung [%];
P
(Ca2+ ,M g 2+ ,K + ,N a+
KAK)
• Basensumme:
mmol Ladungsäquivalente
P
(Ca2+ , M g 2+ , K + , N a+ )
7.6
×
pro
100
kg Boden;
C:N Verhältnis
Das C:N-Verhältnis gibt einen guten Eindruck über die biologische Aktivität
eines Boden bzw. über die Stickstoverfügbarkeit eines Bodens. Der C-, bzw.
N-Gehalt gehört jeweils zu Standarduntersuchungen der chemische Bodenanalyse. Die Daten sind daher stets verfügbar. Das C:N-Verhältnis gibt an, wieviel
organische Substanz (Kohlensto ) mineralisiert werden muss, um an Sticksto
zu gelangen. Will man eine genauere Aussage über die biologische Aktivität, sind
bodenbiologische Spezialuntersuchungen erforderlich (Schinner et al., 1993).
Sticksto ist das übliche Mangelelement in terrestrischen Ökosystemen! In
Böden mit einem engen C:N-Verhältnis kann der Stickstobedarf mit der Umsetzung von wenig, aber N-reicher organischer Substanz gedeckt werden. In
Böden mit einem weiten C:N-Verhältnis müÿte sehr viel organische Substanz
mineralisiert werden. Diese Ökosysteme sind häug durch Stickstomangel ausgezeichnet. Das C:N-Verhältnis wird auch für Aussagen über die Emission von
Stickoxiden aus Böden verwendet (Klemedtsson et al., 2006).
Wichtig: Für die Aussage über
die Grösse des Stickstovorrates ist der Stickdie Stickstoverfügbarkeit ist das
stogehalt entscheidend, für die Aussage über
C:N-Verhältnis wichtig.
Das C:N-Verhältnis wird sowohl für den Auagehumus als auch für Mineralbodenhorizonte angegeben. Am aussagekräftigsten ist es für den Auagehumus
und den obersten Mineralboden. In tieferen Horizonten des Mineralbodens sind
18
der C- und N-Gehalt sehr klein uns mit analytischen Unsicherheiten behaftet.
Die
Einheit des C:N-Verhältnisses: Das C:N-Verhältnis ist dimensions-
los:
C:N =
C[%]
N [%]
. Eigentlich ist dieser Bruch der klassische 'Äpfel-mit-Birnen-Vergleich', da das
Atomgewicht von C und N verschieden ist. Sinnvoller wäre die Angabe eines
18 Wenn
etwa der C-Gehalt
0.1 mg/g ±
0.05 und der N-Gehalt
0.05 mg/g ±0.02
ist, ist
das rechnerische C:N-Verhältnis fast aus dem Zufallszahlengenerator, da die Genauigkeit der
Messung der Einzelwerte nicht viel besser ist als der Messwert selbst.
77
Mol-Bruches. Alas, that's life, und in der Bodenkunde gibt's den Bruch Kohlenstogehalt/Stickstogehalt.
In einem biologisch aktiven Boden ist das C:N-Verhältnis
inaktiven Boden ist es
≈ 15, in einem sehr
25. Beispiele für C:N-Verhältnisse sind in den Tabellen
12 und 13 zu nden.
7.7
Chemische Bodenuntersuchung im Labor
pH-Wert:
Messung mit einer ionenselektiven Elektrode. Aufwand sehr gering;
Standarduntersuchung.
Kationenaustauschkapazität, KAK: Eine denierte Bodenmenge (z.B. 10
g) wird mit einem deniertem
mol BaCl2 oder 0.1 mol NH4 Cl)
Volumen
einer
Salzlösung
(z.B.
0.1
extrahiert. Dazu wird die Probe (Bo-
den + Salzlösung) über einen längeren Zeitraum geschüttelt. Durch den
Überschuss am Kation der Salzlösung werden, dem Massenwirkungsgesetz
folgend, alle Kationen vom Boden desorbiert und in die Lösung gebracht.
Die Sorptionsplätze im Boden werden dann vom Kation der Salzlösung
eingenommen. Im Extrakt wird die Konzentration der Kationen gemessen.
+
+
2+
2+
2+
3+
3+
, Mg
, Mn
, Fe
, Al
und
+
H . Die Konzentration wird in Ladungsäquivalenten [molc ] ausgedrückt.
Beispiel: 0.1 mol Ca2+ wären 0.2 molc Ca2+ , da Kalzium zweiwertig ist;
+
2+
0.1 mol K wären 0.1 molc K
, da Kalium einwertig ist.
Die KAK ist die Summe aus Na , K , Ca
Basensumme: Die Basensumme ist ein rechnerischer Wert der sich aus der
+
+
KAK-Bestimmung ergibt. Es handelt sich um die Summer von Na , K ,
2+
2+
Ca
und Mg
[
molc ].
Basensättigung: Ein rechnerischer Wert, der sich aus dem prozentuellen Anteil der Basensummer an der KAK ergibt. Einheit: [%].
Kohlensto- und Stickstoanalyse: Die beiden Elemente werden in Spezialanalysatoren untersucht. Es sind im Labor keine Extraktionsschritte
notwendig. Einheit [mg/kg oder
mmol/kg].
Spurenmetalle: Die meisten Spurenmetalle kommen im Boden als Kationen
vor. Sie werden daher wie die KAK gemessen. Es ist zu beachten, dass
bei der Extraktion hochreine Chemikalien (ultra pure) zu verwenden sind.
Die Analyse wird dadurch teurer.
Gesamtgehalte: Der Gesamtgehalt eines Elements umfaÿt den austauschbar
gebundenen Anteil und den Teil, der fest in der Gesteinsmatrix gebunden
ist. Der Gesamtgehalt ist für die Panzenernährung nicht von unmittelbarer Bedeutung, da sie ja an diesen fest gebundenen Teil der Nährstoe
nicht herankommen. Dennoch wird die Analyse häug durchgeführt, um
eine Einschätzung für die gesamte Nährstoreserve zu bekommen, unabhängig davon, ob diese aktuell auch verfügbar ist. Für die Messung des
Gesamtgehaltes wird der Boden in einer starken Säure gelöst. Oft wird
der HNO3 /HClO4 -Aufschluss verwendet.
Die Messung der KAK im Labor stellt eine Idealisierung dar. Im Labor wird
der Boden vor der Analyse gesiebt und daher homogenisiert. Alle reaktiven Po-
78
sitionen der Bodenprobe werden von den Austauschreaktionen erfaÿt. Im Gelände sind, in Abhängigkeit der Struktur des Porenraumes, nicht alle reaktiven
Positionen zugänglich.
7.8
Reduktion - Oxidation; RedOx
RedOx-Prozesse sind zum Verständnis von wasserbeeinussten Böden (= hydromorphen Böden) wichtig. Bei Wassersättigung eines Bodens ist im Porenraum
kaum Sauersto vorhanden. Die Metalle werden
reduziert.
Besonders auällig
ist der Prozess bei Eisenoxiden, wenn der rotbraune Goethit (Fe(III)) reduziert
wird und der Boden fahl gefärbt wird (Fe(II)).
•
Oxidation: Abgabe von Elektronen (e
•
Reduktion: Aufgabe von e
)
Im Boden ist bei Wassersättigung die Diusion von O2 aus der Atmosphäre
unterbunden. Aerobe Mikroorganismen verbrauchen den Rest des O2 und berauben sich dadurch ihrer Lebens-Voraussetzungen. Fakultativ und obligat anaerobe Mikroorganismen setzen dann die Umsetzungsprozesse fort. Beim Abbau
der organischen Substanz werden e
gebildet, die aber nicht an den Sauersto
abgegeben werden können. Rezeptoren sind Verbindungen mit hoher Oxidationsstufe.
e2+}
e3+} +e → F
| {z
|F {z
(28)
N O3 → N2 O → N2
| {z }
|{z}
| {z }
(29)
(III)
(V )
(II)
(I)
SO42
| {z }
(0)
→ H2 S
|{z}
(V I)
7.9
(30)
( II)
Bodendaten
Beispiele für physikalische und chemische Kennwerte von Böden: Als Beispiel
dient eine Fallstudie aus einem Langzeit-Monitoring-Projekt Coulissenhieb,
einem Wald-Versuchsbestand in der Nähe von Göttingen (Tabelle 12).
In Tabelle 12 ist einiges zu erkennen: Der Auagehumus wurde in 3 Teile
aufgeteilt (3 O-Horizonte); der A-Horizont ist extrem ausgewaschen und hat
daher eine niedrige KAK. Er wird nicht einmal als reiner A-Horizont angesprochen, sondern als EA-Horizont (vgl. dazu Prozess der Podsolierung). Der
Boden ist mit
pH-Werten
knapp oberhalb von 3 insgesamt extrem sauer. Alle
Horizonte benden sich im Aluminium-Puerbereich (vgl. Kapitel 7.2). Das
C:N-Verhältnis ist im Oberboden
> 20.
Vermutlich ist die Stickstoverfügbar-
keit an diesem Standort nicht sehr hoch. Die Kationenaustauschkapazität ist
niedrig. Die angeführte physikalische Bodeneigenschaft ist die Korngrössenverteilung (vgl. Kapitel 5.1). Es überwiegt die Sandfraktion. Der Boden hat
wenig Ton und daher wenig Voraussetzungen für die Bindung von Nährstoen.
Die Prolbeschreibung (AE-Horizont), die niedrige KAK und der niedrige
geben Anlass, an den Prozess der Podsolierung zu denken.
79
pH
Tabelle 12: Physikalische und chemische Kennwerte eines Waldbodens; Podsol
in Mitteldeutschland; Coulissenhieb (Kalbitz et al., 2004); Korngrössen, Gehalt an Kohlensto und Sticksto, das C:N-Verhältnis, der
pH-Wert
und die
Kationenaustauschkapazität (KAK).
Sand
Horizont
Schlu
Ton
C
N
C:N
C
KAK
CaCl2
[mmolc /kg]
0.5
478
19.3
24.8
3.6
0.2
3.6
245.8
Oe
5
372
18.0
20.7
25.4
1.3
2.9
237.4
Oa
3
376
16.6
22.6
31.0
1.5
2.6
274.2
EA
10
51.6
38.0
10.4
38.9
1.7
22.9
27.4
1.2
2.9
97.6
Bh
2
34.0
49.6
16.4
90.5
4.0
22.6
8.5
0.4
3.3
246.3
Bs
18
44.7
44.8
10.4
53.6
3.8
14.1
51.1
3.6
3.9
137.5
C1
15
56.4
34.0
9.6
2.2
0.2
11.0
1.5
0.1
4.2
31.8
C2
15+
50.8
38.0
11.2
2.0
0.2
10.0
0.9
0.1
4.1
32.9
[%]
[t/ha]
pH
Oi
[cm]
[g/kg]
N
19 ein re-
In Österreich wurde im Rahmen der Waldbodenzustandsinventur
präsentativer Teil (mehr als 500 Bodenprole) im Detail beschrieben. Chemische
Daten dazu sind in Tabellen 13, 14, 15, 16, 17 dargestellt. Zur Vollständigkeit
sind in Tabelle 18 auch die Korngrössen angeführt.
In den Tabellen 13, 14, 15, 16, 17 werden unterschiedliche
Einheiten ver-
wendet, die für die jeweiligen Daten gebräuchlich sind. In Tabelle 13 gibt es
zwei Angaben für den
pH-Wert.
In einer CaCl2 wird stets ein etwas niedriger
Wert gemessen als in H2 O. Beachte, dass karbonatische Böden oben entkalkt
sein können. Der
pH-Wert
ist dann kleiner als 7. Böden auf Silikatgestein sind
wesentlich saurer. C und N sind in % angegeben, mg.
g
1
sind ebenso üb-
lich. In Tabelle 14 fallen die grossen Unterschiede im Ca-Gehalt innerhalb der
Karbonatböden auf. Am Ionenaustauscher von Karbonatböden benden sich
fast ausschliesslich basische Kationen, in Silikatböden dominieren nicht-basische
Kationen (Tabellen 14, 15). Daraus resultieren die grossen Unterschiede in der
Basensättigung (Tabelle 16).
Die Kationenaustauschkapazität wird in Ladungsäquivalenten angegeben.
Eine Summenbildung der Massen der einzelnen Kationen wäre nicht sinnvoll,
+
+
da die Atomgewichte unterschiedlich sind. Da die summierten Ionen (K , Na ,
2+
Ca
2+
, Mg
3+
, Al
, Fe
3+
2+
, Mn
+
, H ) auch unterschiedliche Ladungen haben,
ist auch die Mol-Summe ungeeignet. Daher erfolgt die Angabe in Ladungsäquivalenten [µmolc /g = mmol/kg] (Tabelle 16).
7.10
Berechnung von Nährstovorräten
Die Daten in den Tabellen 13 und 18 ermöglichen die Abschätzung, welche
Nährstomengen tatsächlich auf der Fläche vorhanden sind.
Der Nährstovorrat Pool einer 1
cm
dicken Bodenschicht errechnet sich
aus
Pool
=A×ρ×V
wobei 'A' die Konzentration des Nährstos [mmolc
lumen und
ρ [g cm
19 Mitteilungen
3
(31)
/ 100 g], V das Bodenvo-
] die Lagerungsdichte des Bodens ist. Die Lagerungsdichte
der Forstlichen Bundesversuchsanstalt Vol 168/I+II, 1992
80
Tabelle 13: Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 1:
pH-Wert,
Karbo-
natgehalt, Gesamtgehalte an Kohlensto und Sticksto, C:N-Verhältnis und
Gesamt-Schwefel im Auagehumus; Es sind jeweils 3 Bodenprole für jede geologische Einheit angeführt. Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf
Silikatgestein. Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische WaldbodenZustandsinventur.
von
bis
Geologie
[cm]
pH-Wert
Karbonat
CaCl2
H2 O
[mg/g]
C
N
C:N
[mg/g]
5
0
C
5,6
5,75
0
300
13
23
0
10
C
5,4
5,72
0
51
3,5
15
10
20
C
6,1
6,4
0
19
1,5
13
20
30
C
6,9
7,18
23
16
1,2
13
30
50
C
7,2
7,58
270
13
1,1
12
5
0
C
6,74
7,09
24
180
11
16
0
10
C
7,19
7,69
57
46
3,7
12
10
20
C
7,23
7,81
96
30
2,6
12
20
30
C
7,31
7,98
153
24
2
12
30
50
C
7,42
8,19
315
15
1,2
13
5
0
C
0
10
C
6,88
7,36
0
44
2,2
20
10
20
C
6,7
7,39
0
21
1,6
13
20
30
C
7,03
7,84
0
14
1,2
12
30
50
C
7,2
7,92
0
11
0,9
12
5
0
C
0
10
C
7,56
7,98
775
50
2,5
20
10
20
C
7,65
8,1
784
42
1,4
30
20
30
C
7,64
8,35
857
28
0,4
70
30
50
C
7,68
8,42
821
31
0,5
62
5
0
S
0
10
S
3,19
3,78
0
101
4
25
10
20
S
3,69
4,29
0
69
2,3
30
20
30
S
4,02
4,65
0
43
1,4
31
30
50
S
4,18
4,87
0
40
1,4
29
5
0
S
3,84
4,33
0
440
14
31
0
10
S
3,66
4,15
0
44
1,5
29
10
20
S
3,94
4,29
0
29
1,3
22
20
30
S
4,41
4,71
0
13
0,6
22
30
50
S
4,42
4,9
0
9
0,5
18
5
0
S
0
10
S
3,03
3,76
0
84
3,3
25
10
20
S
3,52
4,2
0
70
2,8
25
20
30
S
3,72
4,42
0
55
2,2
25
30
50
S
3,93
4,56
0
38
1,5
25
81
S
C:S
[mg/g]
1,4
214
0,9
200
1,6
275
Tabelle 14: Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 2: Phosphor und Kationen im Säureaufschluss. Der Säureaufschluss ist besonders stark (Gemisch
HNO3 /HClO4 ) und gibt annähernd den Gesamtgehalt an Elementen an, unabhängig davon, ob diese panzenverfügbar sind oder stark gebunden, etwa im Gesteinsverband. Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf Silikatgestein. Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische WaldbodenZustandsinventur.
von
bis
Geologie
P
K
[cm]
Ca
Mg
Fe
Al
8,9
[mg/g]
5
0
C
0,73
1,9
21,5
2,3
7,6
0
10
C
0,28
1,7
6,8
4,3
23,4
10
20
C
0,24
2,2
6,7
4,7
29,7
20
30
C
0,23
2
21,2
4,7
30
30
50
C
0,29
1,5
106,5
4,4
22,5
5
0
C
0,68
2,4
30,7
4,5
13,6
0
10
C
0,56
3
32,6
5,9
21,1
10
20
C
0,51
2,6
46,9
5,5
20,8
20
30
C
0,51
2,3
70,9
5,6
19,5
30
50
C
0,44
1,9
137,5
5,4
17
5
0
C
0
10
C
0,19
4,7
9,5
9
32
10
20
C
0,14
6
6,9
10,8
35,5
20
30
C
0,14
6,2
7,8
15
36,7
30
50
C
0,16
6,2
10,2
10,8
37,8
5
0
C
0
10
C
0,29
0,2
184,3
130,2
1,9
10
20
C
0,27
0,2
253,6
143,5
1,6
20
30
C
0,19
0,1
240,8
141,1
1,1
30
50
C
0,24
0,2
280,1
133,9
2
5
0
S
0
10
S
0,27
1,2
1,2
1,7
16,4
10
20
S
0,24
2,5
1,3
4,6
48,6
20
30
S
0,21
2,6
1,6
5,6
44,8
30
50
S
0,22
2,8
1,6
5,9
42,3
5
0
S
1,02
1
6,8
0,8
1,4
0
10
S
0,39
0,7
1,6
5,7
25,2
10
20
S
0,37
0,7
1,5
6
28,5
20
30
S
0,34
0,9
1,6
5,9
26,3
30
50
S
0,24
0,8
1,5
4,9
21,8
5
0
S
0
10
S
0,27
0,3
0,2
0,4
13
10
20
S
0,39
0,2
0,1
1,3
55,3
20
30
S
0,45
0,2
0,1
2,4
59,3
30
50
S
0,51
0,2
0,2
4,6
68,4
82
9,4
1,4
Tabelle 15: Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 3: Austauschbar gebundene Kationen. Diese werden in ungepuerter Bariumchloridlösung desorbiert
und gelten als panzenverfügbar. Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden
auf Silikatgestein. Die Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubai- bzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische WaldbodenZustandsinventur.
von
bis
Geologie
K
Ca
Mg
Fe
Mn
Al
H
[µmol/g]
[cm]
5
0
C
0
10
C
2,9
275,2
15,7
0,09
3,5
0
0,61
10
20
C
2,3
308
13,7
0,12
0,6
0
0,24
20
30
C
2,1
319,7
8,2
0
0
0
0
30
50
C
1,9
261
6,1
0
0
0
0
5
0
C
0
10
C
6,5
369,5
16,8
0
0
0
0
10
20
C
4,3
328,5
8,4
0
0
0
0
20
30
C
3
311,5
8,9
0
0
0
0
30
50
C
1,9
227,5
6,8
0
0
0
0
5
0
C
0
10
C
3,1
405,3
25,6
0
0
0
0
10
20
C
4
284,8
22,2
0
0
0
0
20
30
C
2,6
296,5
17,9
0
0
0
0
30
50
C
2,2
283,8
13
0
0
0
0
0
5
0
C
0
10
C
0,5
175,6
48,5
0
0
0
10
20
C
0,3
103,1
28,9
0
0
0
0
20
30
C
0,1
46,2
13,4
0
0
0
0
30
50
C
0,1
63,6
16,5
0
0
0
0
5
0
S
12,42
0
10
S
2,1
23,4
6,8
8,68
0,33
57,4
10
20
S
1,5
9,2
3,7
8,98
0,07
92,1
3,44
20
30
S
0,6
5,1
1
3,3
0,04
54,9
1,46
30
50
S
0,5
4
1
2,17
0,04
39,7
1,06
5
0
S
0
10
S
0,7
9,8
4,7
3,61
0,99
65,2
3,04
10
20
S
0,5
4,2
2,5
1,19
0,83
43,9
1,28
20
30
S
0,7
3,2
1,3
0,05
0,61
19,6
0,87
30
50
S
0,5
6,3
4,2
0,03
0,34
19,1
1,06
5
0
S
0
10
S
2,7
10,9
12,6
4,83
0,29
46,8
18,9
10
20
S
0,7
3,6
2,2
10,85
0,05
98
5,98
20
30
S
0,6
3,5
1,5
6,06
0,13
84,1
3,2
30
50
S
0,4
2,5
0,9
1,96
0,31
51,3
1,8
83
Tabelle 16: Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 4: Austauschbar gebundene Kationen in der Einheit % der gesamten Austauschkapazität, Kationenaustauschkapazität (KAK), Summe der basischen Kationen (K, Ca, Mg) und Basensättigung. Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf Silikatgestein. Die
Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubaibzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische Waldboden-Zustandsinventur.
von
bis
Geologie
K
Ca
Mg
[cm]
Fe
Mn
Al
H
[%]
5
0
C
KAK
Basensumme
Basensättigung
[mmolc /100g]
[%]
0
10
C
1
92,3
5,3
0
1,2
0
0,2
298
293,8
98,6
10
20
C
0,7
94,8
4,2
0
0,2
0
0,1
324,96
324
99,7
20
30
C
0,6
96,9
2,5
0
0
0
0
330
330
100
30
50
C
0,7
97
2,3
0
0
0
0
269
269
100
5
0
C
0
10
C
1,7
94,1
4,3
0
0
0
0
392,8
392,8
100
10
20
C
1,3
96,3
2,5
0
0
0
0
341,2
341,2
100
20
30
C
0,9
96,3
2,8
0
0
0
0
323,4
323,4
100
30
50
C
0,8
96,3
2,9
0
0
0
0
236,2
236,2
100
5
0
C
0
10
C
0,7
93,4
5,9
0
0
0
0
434
434
100
10
20
C
1,3
91,6
7,1
0
0
0
0
311
311
100
20
30
C
0,8
93,5
5,6
0
0
0
0
317
317
100
30
50
C
0,7
94,9
4,3
0
0
0
0
299
299
100
5
0
C
0
10
C
0,2
78,2
21,6
0
0
0
0
224,6
224,6
100
10
20
C
0,2
77,9
21,8
0
0
0
0
132,3
132,3
100
20
30
C
0,2
77,4
22,4
0
0
0
0
59,7
59,7
100
30
50
C
0,1
79,3
20,6
0
0
0
0
80,2
80,2
100
5
0
S
0
10
S
1,9
21,1
6,1
7,8
0,3
51,7
11,2
111,13
32,3
29,1
10
20
S
1,3
7,7
3,1
7,5
0,1
77,4
2,9
118,99
14,4
12,1
20
30
S
0,9
7,7
1,5
5
0,1
82,7
2,2
66,4
6,7
10,1
30
50
S
1
8,3
2,1
4,5
0,1
81,9
2,2
48,47
5,5
11,3
17,3
5
0
S
0
10
S
0,8
11,1
5,3
4,1
1,1
74,1
3,5
88,04
15,2
10
20
S
0,9
7,7
4,6
2,2
1,5
80,7
2,4
54,4
7,2
13,2
20
30
S
2,7
12,2
4,9
0,2
2,3
74,4
3,3
26,33
5,2
19,7
30
50
S
1,6
20
13,3
0,1
1,1
60,6
3,4
31,53
11
34,9
5
0
S
0
10
S
2,8
11,2
13
5
0,3
48,2
19,5
97,02
26,2
27
10
20
S
0,6
3
1,8
8,9
0
80,7
4,9
121,38
6,5
5,4
20
30
S
0,6
3,5
1,5
6,1
0,1
84,9
3,2
99,09
5,6
5,7
30
50
S
0,7
4,2
1,5
3,3
0,5
86,7
3
59,17
3,8
6,4
84
Tabelle 17: Chemische Kennwerte von Waldböden. Teil 5: Spurenmetalle im Säureaufschluss. Geologie: C . . . Karbonatboden, S . . . Boden auf Silikatgestein. Die
Karbonatböden sind aus dem Leithagebirge, die Silikatböden aus dem Stubaibzw Zillertal. Datenquelle: Österreichische Waldboden-Zustandsinventur.
von
bis
Geologie
Mn
Cu
Zn
Co
Cr
Ni
Pb
Cd
[µg/g]
[cm]
5
0
C
772
19
93
7
15
16
45
0,88
0
10
C
709
22
84
14
33
36
40
0,92
10
20
C
671
25
78
18
43
47
37
0,57
20
30
C
658
28
75
18
43
46
31
0,72
30
50
C
546
28
62
18
35
44
32
0,71
5
0
C
1089
20
85
10
21
28
60
0,88
0
10
C
1280
22
69
13
33
38
37
0,83
10
20
C
1070
21
62
13
29
39
26
0,64
20
30
C
859
21
58
13
29
36
26
0,5
30
50
C
424
19
50
17
26
36
26
0,31
5
0
C
0
10
C
678
29
63
24
25
38
62
0,31
10
20
C
731
31
62
25
27
38
43
0,57
20
30
C
609
31
62
23
25
42
38
0,44
30
50
C
557
29
59
23
25
41
31
0,2
5
0
C
0,07
0
10
C
350
6
6
11
3
11
38
10
20
C
350
6
5
13
3
12
24
0,1
20
30
C
318
5
4
12
1
13
19
0,01
30
50
C
442
5
6
13
2
12
26
0,01
5
0
S
0
10
S
81
6
19
6
7
5
184
0,18
10
20
S
156
8
36
14
14
12
77
0,11
20
30
S
197
7
47
16
20
13
30
0,22
30
50
S
211
9
47
14
19
10
24
0,25
5
0
S
974
12
70
3
3
5
63
0,77
0
10
S
291
12
72
10
25
20
60
0,15
10
20
S
325
13
73
13
30
21
47
0,16
20
30
S
390
12
69
12
32
21
18
0,12
30
50
S
330
10
55
11
26
16
23
0,13
5
0
S
0
10
S
60
10
24
5
4
8
66
0,23
10
20
S
118
19
32
10
13
17
129
0,19
20
30
S
215
22
44
14
21
16
68
0,14
30
50
S
393
28
65
14
26
29
36
0,22
85
Tabelle 18: Bodenart der österreichischen Waldböden aus Tabellen 13, 14, 15,
16, 17.
Geologie
Bodenart
2000 - 200
200 - 60
60 - 20
20 - 6
6 - 2
<
2
Grössen in [µm] - Anteile in %
C
Grob- und
Mittelsand
Feinsand
Grobschlu
Mittelschlu
Feinschlu
Ton
14
10
18
14
11
33
Lehm
sandiger
C
Lehm
C
Ton
8
17
23
19
12
21
0
1
5
12
19
63
6
28
52
11
1
2
36
16
18
14
5
11
14
20
30
20
7
9
10
13
30
23
7
17
sandiger
C
Schlu
lehmiger
S
Sand
sandiger
S
Schlu
lehmiger
Schlu
S
gehört nicht zu den Standard-Parametern der Bodenanalyse. Eine empirische
Formel, abgeleitet aus einigen hundert Einzeluntersuchungen von österreichischen Wald- und Ackerlandböden ist in Gleichung 33 gegeben.
[=1.2
g cm
3
mg. g
1
ρ
m2 und einer Tiefe von 1 cm hat dann
4
die Masse von 1.2 × 10 = 12052 g (=12 kg).
2+
Die KAK-Analyse hat 300 µmolc Ca
g 1 ergeben (A in Gleichung 31).
Bei 'C' [15
] und 'Schlu=12%' und 'Ton = 8%' ergibt sich
]. Ein Bodenvolumen von 1
12052 × 300/106
×40
|{z}
/2
|{z}
= 72.3
(32)
Ca hat 2 Ladungen Molgewicht Ca
Ergebnis: Der Boden hat auf 1
m2
in einer 1
cm dicken
Schicht 72
g Ca2+
austauschbar gebunden.
Falls der Boden auch Grobskelett enthält, reduziert sich das Bodenvolumen
in Gleichung 31. Der Grobskelettanteil wird häug im Gelände nur geschätzt.
Bei genauen Protokollen der Bodenuntersuchung wird der Grobskelettanteil gemessen. Der Aufwand bei der Probenwerbung im Gelände und bei der Probenaufarbeitung im Labor wird dadurch beträchtlich erhöht.
8 Poröses System
8.1
Porengrösse
In der Tabelle 19 ist die Klassikation der Poren gemeinsam mit Kennzahlen
des Wasserhaushaltes dargestellt.
Die Grösse von Poren ist in Abbildung 21 dargestellt. Die Abbildung 43 zeigt
einen Vergleich von Bodengrössen wie Bodentextur, Wurzeln, Organismen im
Boden etc. Es wird deutlich, dass Wurzelhaare nicht in die wesentlich kleineren
Feinporen eindringen können. Ausserdem wird deutlich, dass viele Bodenorganismen in dem Mittelporen günstige Lebensbedingungen vornden.
86
Tabelle 19: Porenweiten und Kennzahlen des Wasserhaushaltes.
Bezeichnung
weite Grobporen
enge Grobporen
Mittelporen
Feinporen
Porenweite
Matrixpotential
µm
>50
hPa
> -60
pF-Wert
< 1.8
10 - 50
-60 . . . -300
1.8 . . . 2.5
0.2 . . . 10
-300 . . . -15000
2.5 . . . 4.2
<0.2
<
- 15000
>
4.2
♥
Abbildung 43: Darstellung der Grössenverhältnisse von Bodenbestandteilen.
Graphik 1: Oben: Grössenklassen nach der Bodentextur und Porengrössen. Mitte: Wurzelhaare, Fein- und Grobwurzeln, unten: charakteristische Bodenorganismen. Graphik 2: andere Vergleiche zur weiteren Erhöhung der Anschaulichkeit.
87
Aus der Abbildung 43 ist zu erkennen, dass Feinwurzeln und auch Wurzelhaare in
Feinporen
nicht eindringen können. Der Wasservorrat in diesen Poren
ist den Panzen daher nicht zugänglich. Im Kapitel 6.3 wird kurz darauf eingegangen, dass Pilzhyphen in der Lage sind, in wesentlich engere Poren einzudringen als dies Höhere Panzen vermögen. Mykorrhizierte Panzen haben
daher die Möglichkeit, sich auf trockenen Standorten ausreichend mit Wasser
zu versorgen.
Poreninhalt:
•
Die Bedeutung der
Grobporen
liegt in der ausreichenden Versorgung der
Bodenfauna mit Luft.
•
Der Hauptvorrat des panzenverfügbaren Wassers ist in den
Mittelporen
gespeichert.
•
Die
Feinporen enthalten Wasser, das von Oberächenkräften stark gebun-
den ist und Panzen nicht zur Verfügung steht.
Durch die Bodenbearbeitung wird der Boden verdichtet. Er verliert damit
an Porenvolumen. Um diesen unerfreulichen Prozess zu vermeiden, werden die
besonders empndlichen schweren (tonreichen) Böden nur befahren, wenn der
Boden halbwegs trocken ist. Eine bereits erfolgte Bodenverdichtung kann durch
eine mechanische Bodenlockerung teilweise rückgängig gemacht werden. Allerdings bildet sich bei der mechanischen Lockerung nicht die ideale Krümelstruktur im Boden.
8.2
Bodengefüge
Bodengefüge / Formen des Bodengefüges / Vergesellschaftung Gefüge-Bodentyp
Gefügestabilisierung
Porenvolumen im Lauf der Bodenentwicklung
Die Lockerung des Bodens kommt durch Turbationen zustande:
Bioturbation: Die Mesofauna (Regenwürmer, Asseln, Kleinsäuger) lockern
den Boden durch ihre wühlende Tätigkeit. Wurzeln haben eine begrenzte
Lebenserwartung. Nach ihrem Absterben und Verrotten hinterlassen sie
Wurzelgänge
Wind: Wind bewegt die Bäume, die Wurzeln werden durch die wiegende Bewegung des Stammes mitbewegt. Lokal sowohl Verdichtung als auch Bodenlockerung möglich.
Kryoturbation: Durch Eisbildung werden grössere Steine nach oben gehoben; Feinmaterial rieselt nach; Ausfrieren der Steine, Steine klauben im
Frühling
mechanische Lockerung: Pügen, eggen etc. Wirkung auf Arbeitstiefe des
Werkzeuges beschränkt.
Der Boden ist ein poröses System. In den Poren nden die wesentliche Prozesse statt. Die Poren sind Lebensraum für Mikroorganismen, Transportpfad für
Wasser etc. In der Abbildung 44 ist dargestellt, wie heterogen der Porenraum
besetzt sein kann. In der Abbildung sind die Panzenwurzeln zu erkennen, in
88
Abbildung 44: Der Porenraum ermöglicht den Wurzeln das Wachstum. An einem eng begrenzten Ort kommen eine Vielzahl mineralischer und organischer
Verbindungen und Wasser und Luft vor. Alle Prozesse im Boden spielen sich in
der üssigen Phase ab (Post et al., 2004).
deren Umgebung zwei Arten von Pilzen existieren. Die grün dargestellten Mykorrhizapilze sind für die Versorgung der Panze mit Wasser und Nährstoen
verantwortlich (siehe Kapitel 6.3), die dunkelrot eingetragen Saprophyten bauen
organische Substanz des Bodens ab und setzen dabei Nährstoe frei. Die gezeichneten Mikroaggregate sind zum Groÿteil Ton-Humus-Komplexe. Sie haben eine
grosse Bedeutung für physikalische Stabilisierung der organischen Substanz, sie
bilden einen Nährstospeicher und sind auch für die Kohlensto-Sequestrierung
in Böden wichtig: der Kohlensto ist durch mineralische Bestandteile umhüllt
und ist in dieser Form resistent gegenüber dem biologischen Abbau.
In der Abbildung 45 sind einige Eigenschaften des Porenraumes erkennbar:
•
Der Unterschied zwischen den Bildern A und B aus dem selben Bodenprol
zeigt die grosse räumliche Heterogenität im Boden
•
Poren treten in allen Grössen auf
•
Mikroorganismen treten an einigen Stellen verstärkt auf, sind also nicht
gleichmäÿig im Boden verteilt; biologische 'hot spots'
Innerhalb der klimatischen Grenzen eines Standorts ist die Produktivität von
chemischen, physikalischen und biologischen Bodeneigenschaften abhängig. Alle
diese Eigenschaften sind durch die Art der Bodenbewirtschaftung (Landnutzung) beeinussbar. Die beiden Schlüsseleigenschaften sind die
und der
Gehalt an organischer Substanz.
Bodenporosität
Sie steuern das Wasser- und Luft-
angebot im Wurzelraum, die mikrobielle Aktivität, die Aggregatstabilität, die
Durchwurzelbarkeit und vieles andere (Abbildung 46). Auf verdichteten Böden
geht die Produktivität deutlich zurück (Powers et al., 2005).
8.3
Lagerungsdichte des Bodens
Die Lagerungsdichte
[g.cm
3
ρ
eines Bodens gibt die Masse pro Volumen an. Einheit
]. Zur Bestimmung wird im Gelände ein deniertes Volumen Boden in
89
Abbildung 45: Dünnschlibilder von Böden, 30µm, dick, 2
cm breit,
durch wel-
che Mikroorganismen in ihrer natürlichen Umgebung betrachtet werden können; Die Bilder A und B wurden aus dem selben Bodenprol geworben. links:
Durchlicht-Fotograe, rechts: Fotograe mit polarisiertem Licht, um den Porenraum von der Festphase optisch unterscheidbar zu machen. In Bild C ist die Verteilung der Mikroorganismen in einem Bild mit 30
µm Dicke und 600 µm Länge.
Die Beleuchtung mit UV-Licht zeigt die Positionen der uoreszierend gefärbten
Mikroorganismen (gelbe Punkte im Bild C/rechts) (Young and Crawford, 2004).
90
Atmosphäre
Wärme
Feuchtigkeit
Schadstoffe
Porosität
Bodenoberäche
Infiltration
Erosion
Wurzelwachstum
Mikrobielle Aktivität
Aktivität der Bodenfauna
Bodenstruktur
Abbildung 46: Die Boden-Porosität beeinusst viele Faktoren. Vereinfacht nach
(Powers et al., 2005).
ungestörter Lagerung entnommen. Dazu verwendet man meistens einen Stahlzylinder (Stechzylinder; siehe Übungen im Gelände). Im Labor wird die Probe
getrocknet und abgewogen.
Da es sich um eine aufwendige Methode handelt, wird die Lagerungsdichte
oft mit Hilfe von empirischen Funktionen ermittelt. Eine solche Funktion für
österreichische Verhältnisse ist
ρ = 1.2935 − 0.0085 × C + 0.001 × Schlu + 0.0034 × Ton
wobei 'C' in [mg.g
1
(33)
] und 'Schlu ' und 'Ton' in [%] angegeben werden.
Die Abbildung 47 zeigt, dass (i) der Zusammenhang zwischen Kohlenstogehalt des Bodens und
ρ halbwegs eng ist und dass (2) ρ für Wald-und Nichtwald-
Böden mit derselben Funktion geschätzt werden kann, wobei die Böden der
verschiedenen Nutzungsformen in unterschiedlichen Sektoren der Regressionsfunktion liegen.
9 Prozesse der Bodenentwicklung
9.1
Einussfaktoren
Die Bodenentwicklung ist ein langsamer Prozess, der von vielen Faktoren abhängig ist
Verwitterung / chemisch & physikalisch: die Verwitterung des Gesteins
hängt von der Gesteinsart (Kapitel 3.2.1) und den äuÿeren Bedingungen
ab. Ein wichtiger Faktor ist das chemische Milieu, in dem die Verwitterung stattndet. In einem sauren Milieu wird die Verwitterung beschleu-
91
Abbildung 47: Empirische Funktion für die Lagerungsdichte des Bodens, abgeleitet aus österreichischen Daten; Projekte: Waldböden aus BioSoil, Acker- und
Graslandböden von IKT Petzenkirchen und Datenbank BORIS des Umweltbundesamtes.
+
nigt (vgl. H
in Gleichung 1). Ebenso wichtig sind die Niederschlags- und
Temperaturbedingungen, welche die physische Verwitterung vorantreiben.
Mehr Niederschlag beschleunigt die Verwitterung. Die Temperatur kann
sowohl beschleunigend als auch verzögernd wirken. Niedrige Temperaturen
verlangsamen die chemischen Reaktionen, können aber durch Frostsprengung die Verwitterung beschleunigen.
Rolle der Bodenbiologie: Die Bodenmikroorganismen und auch die Höheren Panzen beschleunigen die Bodenentwicklung durch die Bildung und
Ausscheidung von organischen Säuren und Komplexbildnern. Atmungsvorgänge setzen CO2 frei und bilden Kohlensäure (CO2 in Gleichung 1 und
Gleichungen 24, 25, 25). Das Edaphon vermischt den Boden und bringt
organische Säuren in den Unterboden.
Klima: Klimate mit groÿen Temperaturamplituden sind durch schnelle Prozesse der Bodenbildung ausgezeichnet. Je feuchter die Bedingungen sind,
desto schneller wird die Nährstoauswaschung und -verlagerung wirksam.
Trockenheit im Porenraum des Bodens verhindert das Ablaufen von chemischen Prozessen.
Zeit: Böden bilden sich über einen langen Zeitraum. Die heutigen Bodenbedingungen stellen eine Momentaufnahme (slow motion) dar. Zwei extreme
Beispiele: die Römersiedlung Carnuntum ist etwa 2000 Jahre alt. Sie bendet sich jetzt unter Ackerland mit einer Mächtigkeit von ca. 1
m.
Auf
dem Bergsturzmaterial des Dobratsch bei Villach/Kärnten hat bis heute keine nennenswerte Bodenbildung stattgefunden. Die beiden Standorte
unterscheiden sich sowohl im Gesteinstyp als auch hinsichtlich der Klimabedingungen am Standort.
92
Faktoren der Bodenbildung Braunerde bis Anmoorgley infolge des lokalen
Wassereinusses
9.2
Prozesse der Bodenentwicklung
In der Abbildung 48 sind Hauptprozesse der Bodenentwicklung mit den zugehörigen Bodentypen dargestellt. Textliche Beschreibung:
•
Hauptprozesse, initiale Bodenentwicklungen:
physikalische Verwitterung lockert Gestein auf
Panzenbestand (Moose, Flechten, Gräser) liefern organische Substanz
Verlagerungsprozesse innerhalb des Bodens spielen geringe Rolle
•
→
Bildung von O-C und A-C Böden
Boden auf Silikat; kein Hydromorphismus:
Proldierenzierung durch chemische Bodenprozesse. Durch Verbraunung und Verlehmung wird der bereits physikalisch verwitterte
C-Horizont von oben ausgehend in einen B-Horizont umgewandelt.
Der C-Horizont verschiebt sich immer weiter nach unten.
Verbraunung: Eisen (F e) wird aus dem Kristallgitter freigesetzt und mit dem Sauersto der Bodenluft zu dreiwertigem Eisen (F e(III)) oxidiert. Es bilden sich Eisenoxide.
Wichtiger Vertreter: Goethit (siehe Kapitel 3.3.3).
Es werden auch andere Oxide gebildet. Farblich dominant
sind aber die Eisenoxide.
Verlehmung: Durch die Verwitterung der Silikate werden
Tonminerale (Kapitel 3.3.2 gebildet. Der Boden ist daher
weniger körnig, aber reicher an Ton und Lehm. Seine Sorptionsfähigkeit für Nährstoe wird dadurch höher.
Bildung einer Braunerde, A-B-C-Boden
•
festes Karbonat; kein Hydromorphismus:
Durch die chemische Bodenentwicklung wird das Karbonat aufgelöst (vgl.
Reaktionen 2, 3). Dabei entstehen freie Ionen (Nährstoe), CO2 und Wasser. Es können keine Tonminerale gebildet werden, da die silikatischen
Grundbausteine (Silizium-Tetrateder & Aluminium-Oktaeder, vgl. Kapitel 3.3.2) in reinem Karbonatgestein gar nicht vorhanden sind. Daher unterbleibt die Bildung eines B-Horizontes, Bildung einer Rendzina. A-CBoden. Rendzinen sind chemisch äuÿerst stabile Böden.
•
festes Karbonat, trotzdem Bildung eines B-Horizontes:
Diese Bodenbildung wird als Kalklehm, Kalksteinbraunlehm, Terra fusca
bezeichnet.
Die Bodenbildung eines Kalklehms hat Erklärungsbedarf, da sich im Zuge der Verwitterung von Karbonatgestein kein B-Horizont bilden kann.
Karbonat enthält kein Eisen, das für die Braunfärbung verantwortlich ist.
Die Bodenbildung des Kalklehms erfolgt aus dem Lösungsrückstand von
93
20 . Karbonate kommen in der Natur
Verunreinigungen im Karbonatgestein
nicht in 100%-iger Reinheit vor. Immerhin handelt es sich bei den Karbonaten um Meeresablagerungen, die eine wechselnde Geschichte haben.
Jedenfalls wird das Karbonat im Zuge der Verwitterung restlos aufgelöst
und das Nicht-Karbonat bleibt zurück. Aus diesem Nicht-Karbonat (Silikat) bildet sich ein toniger, deutlich braun gefärbter Horizont.
Der Kalklehm ist in Österreich häug anzutreen. Auf den Karbonatstandorten der Nördlichen Kalkalpen treten in Waldökosystemen Rendzinen und Kalklehme eng verzahnt auf. Das Verhältnis ist etwa 60:40.
•
lockeres Sediment mit Karbonatanteil; kein Hydromorphismus:
In manchen Regionen Österreichs sind A-C-Böden auf
menten
Lockersedi-
verbreitet. Die silikatischen oder karbonatischen Lockerse-
diment wurden durch äolisches (Vektor: Wind) oder alluviales (Vektor: Wasser) kalkhaltiges Material überdeckt. Dadurch bleibt der
pH-
Wert immer hoch und die Verbraunung unterbleibt. Diese Böden bilden sich häug auf Lössdecken.
Die Bioturbation ist intensiv; diese Böden sind ideal für Ackerbau
und bieten den Bodenorganismen hervorragende Bedingungen.
Von der Bodenbildungsdynamik sind die Böden den Rendzinen
vergleichbar. Allerdings ist es nicht opportun, A-Horizonte über
Festgestein (sehr begrenzter Wurzelraum, geringe Wasserspeicherfähigkeit)
und
A-Horizonte
über
kalkhaltigen
Lockersedimenten
(tiefgründiger Wurzelraum, hohe Wasserspeicherfähigkeit) in einer
Gruppe der Bodensystematik zu haben.
Bodentyp: Schwarzerde; A-C-Boden.
•
lockeres Sediment mit Karbonatanteil, Hydromorphismus: Es bildet sich
eine Feuchtschwarzerde, die den gleichen Prolaufbau wie eine Schwarzerde hat. Der A-Horizont ist allerdings weniger gut biologisch durchmischt
und häug violett-stichig.
•
Weiterentwicklung einer Braunerde zum Podsol: Unter sauren Bedingungen sind Braunerden nicht stabil. Im Prozess der
Podsolierung kommt
es zu einer deutlichen morphologischen Veränderung des Bodens. Der gebildete Bodentyp ist ein Podsol.
Tonzerstörung: Bei
pH < 4.2
werden Tonminerale zerstört.
An der Säurewirkung sind stets organische Säuren, die im Auflagehorizont oder im A-Horizont gebildet wurden, beteiligt. Dabei wird eine Einheitszelle (Si−O mit 4 chemischen Bindungarmen; Abbildung 9) nach der anderen aus dem Gesteinsverband
gelöst und ringsum protoniert. Es bildet sich dabei
Si(OH)4
(=H4 SiO4 ; d.i. Kieselsäure bzw. in der Festphase reiner Quarzsand). Allenfalls aus den Tonmineralen freigesetzte Ionen gehen
in Lösung und werden mit dem Sickerwasser nach unten verlagert. Die Eisenoxide gehen ebenfalls in Lösung und werden
20 Die
Kalkalpen stehen auf tönernen Füssen!
94
ebenfalls nach unten verlagert. Die Folge ist, dass der obere Teil
des B-Horizontes in einen bleichen, sandigen Eluvialhorizont (EHorizont) umgewandelt wird.
Ausfällungshorizont: Tiefer im Bodenprol sind weniger
stark verwitterte Bodenhorizonte, in welchen der
pH-Wert höher
ist. In dieser Zone werden die oberhalb mobilisierten Eisenoxide wieder ausgefällt. Die organischen Säuren polymerisieren zu
gröÿeren Molekülen und werden ebenfalls ausgefällt. Daher bildet sich unter dem E-Horizont ein Bs,h -Horizont, der aber nicht
deutlich ausgeprägt sein muÿ.
Unterhalb bleibt der B-Horizont bestehen. Die Podsolierung schreitet von
oben nach unten fort.
•
Weiterentwicklung einer Braunerde zu einer Parabraunerde:
Die Tonminerale aus dem B-Horizont werden mit dem Sickerwasser nach
unten verlagert. Dieser Prozess geht unter schwach sauren Bedingungen
vonstatten. (Unter stark sauren Bedingungen würden die Tonminerale ja
zerstört werden!!). Unter dem B-Horizont kommt es zur Anreicherung der
verlagerten Tonminerale. Die charakteristische Horizontfolge ist A-Bv Bt -C, der Bodentyp heisst Parabraunerde. Der bezeichnende Horizont ist
der Bt -Horizont. Index t steht für
Tonanreicherung.
Der Prozess der
Tonverlagerung wird auch als Lessivierung bezeichnet.
•
Entwicklung Rendzina:
Im Gelände weden Karbonate selten rein angetroen. Häug besteht eine Wechsellagerung mit silikatischem Material. Während das Karbonat
bei der Verwitterung restlos aufgelöst wird (Reaktionen 2, 3) reichern sich
die silikatischen Bestandteile des Ausgangsmaterials der Bodenbildung an.
Diese Verunreinigungen unterliegen der Verbraunung und Verlehmung.
Daher kommt es zur Bildung des
Kalksteinbraunlehms; Terra fusca,
ein A-B-C-Boden auf Karbonatgestein. Der B-Horizont ist stets lebhafter
gefärbter als der B-Horizont einer Braunerde.
•
Silikatböden unter Wassereinuss:
die Oxide des B-Horizontes einer Braunerde erhalten die charakteristische Fleckung; Durch die Wassersättigung werden reduzierende
(sauerstoarme, anaerobe) Bedingungen geschaen (Kapitel 7.8). Die
zuvor oxidierten Metalle (Metalloxide Kapitel 3.3.3) werden reduziert. Davon betroen sind Eisen- und Manganoxide, da diese beiden
Metalle in mehreren Oxidationsstufen im Boden vorkommen. Die entscheidende chemische Reaktion ist
4
Fe
|{z}
3-wertig
OOH + CH2 O + 8H + → 4 F
e2+} +CO2 + 7H2 O
| {z
(34)
2-wertig
Pseudogleyen (TagwasGleyen (Grundwassereinuss).
Je nach Herkunft des Wassers spricht man
ser, das nicht versickern kann) oder
reduzierende Bedingungen führen beim Podsol zu einem Stagnogley.
95
•
Karbonat - Wassereinuss:
Der Wasserbleichung ist prolmorphologisch schwer erkennbar, da kein
oxidhaltiger B-Horizont vorhanden ist. Im dunklen A-Horizont läÿt sich allenfalls eine Naÿbleichung der organischen Substanz erkennen. Man spricht
von
(pseudo-) vergleyten Rendzinen, Tschernosemen , bei starker
Anmooren.
Humusanreicherung von
9.3
Bildgalerie der wichtigsten Bodentypen
Die Böden des mediterranen Raumes zeichnen sich durch die lange Zeit der
Bodenentwicklung und durch die Trockenheit aus (Tabelle 23). Es werden nur
einige charakteristische Böden gezeigt. Für lokale Besonderheiten wird auf Spezialliteratur verwiesen. Durch die lange Zeit ist die Bodenentwicklung weit
fortgeschritten. D.h. die Prozesse der Verbraunung liegen schon weit zurück.
Das Eisenoxid Goethit wurde schon weiter oxidiert. Daher sind die Böden oft
lebhaft rot gefärbt (Ferralitisierung).
9.4
Böden im Gelände Catenen
Das Auftreten von Böden im Gelände folgt Regelmässigkeiten. Abbildung 49.
10 Stoüsse
10.1
Mechanismen des Transportes
Dispersion: Durchmischung - Stotransport in und mit Bodenlösung
Diusion: Transport über kurze Distanzen; angetrieben von einem Gradienten;
Beispiel: Nährstoaufnahme durch Wurzeln entlang des Konzentrationsgradienten von einem nährstoarmen Innenraum der Wurzeln zu einem
nährstoreichen Bereich rings um die Wurzel.
Konvektion: synonym Massenuss I; Verlagerung von Stogruppen mit der
Strömung; im Bodenwasser: Bewegung mit dem Sickerwasser, Luft: Bewegung mit Wind;
I = q × c,
wobei q . . . Querschnitt, c . . . Konzentration
Retardation: Verzögerung des Transportes durch (reversible) Sorptionsvorgänge
Der Transport eines gelösten Stoes entspricht der Summe von konvektivem
und dispersivem Fluss. Daher wird die Transportgleichung auch
Dispersions-Gleichung
δ2 c
δc
δc
=D× 2 −v +s
δt
δz
δz
10.2
Konvenktions-
genannt
(35)
Biogeochemische Kreisläufe
In der Biogeochemie wird der Fluÿ von Elementen (Nährstoen, Schadstoen)
durch ein ganzes Ökosystem beforscht. Dabei werden die
96
nach Lage im Gelände, Gewässernähe, Prolmerkmalen
Terrestrische
Bodenbildungen
Semiterrestrische
Bodenbildungen
nach Gesteinsgruppen
Silikat
Karbonat
•
nach der Wasserbewegung
Versickerung gehemmt
→ Pseudogley
nach Gesteinsfestigkeit
•
Grundwassereinuss
→ Gley
locker
fest
•
Dynamik des Fliessgewässers
→ Auboden
nach Prolentwicklung / Zeit!
Ranker
Rohboden
Rohboden
Braunerde
Tschernosem
Rendzina
Podsol
Pseudotschernosem
(Terra fusca)
•
Humusakkumulation infolge
Wasser
→ Moor / Anmoor
(Terra rossa)
Abbildung 48: Vereinfachte Übersicht über die Entwicklung von Böden. Vgl dazu
Kapitel 12.5.
97
Tabelle 20: Terrestrische Bodenbildungen auf Silikat.
schwach entwickelte, grobskelett-
Braunerde ABC
reiche Braunerde ABC
Parabraunerde.
von
Feinteilchen
Auswaschung
(Ton)
aus
Oberboden in Bt ; Horizontfolge:
Humus-Eisenpodsol; Prolfolge:
O Ae E Bh Bs Bv ; Source (Bridges, 1970).
A Bt C
98
Tabelle 21: Terrestrische Bodenbildungen auf Karbonat.
Tschernosem; A-C; C ist kalk-
Rendzina; A-C; C ist Karbonat-
hältiges Lockersediment; Quelle
gestein (Dolomit)
(Bridges, 1970).
A-Horizont
O
Subhydrisch
Moor
Bv
C
Go
Grundwasserspiegel
Gr
Braunerde
Gley
Abbildung 49: In Abhängigkeit von der Position des Bodens in Relation zum
Grundwasserspiegel bzw. zum freien Wasserspiegel werden im Gelände unterschiedliche Bodentypen angetroen. Situation: Bodenbildung auf Silikat, gemäÿigtes Klima.
99
Tabelle 22: Semiterrestrische Bodenbildungen.
Pseudogley; A - P - Horizonte;
Gley;
der Stauhorizont S ist unter dem
grau/orange Farbtöne.
charakteristisch
sind
die
Wasserspiegel.
Auboden; charakteristisch ist die
Moorboden; kaum abgebaute or-
Lagerung der Horizonte
gan Substanz akkumuliert.
100
Tabelle 23: Mediterrane Böden. Alle Bilder von Theodore Karyotis, Thessaloniki, präsentiert bei Tagung COST 639, Firenze, März 2009.
Hoch oxidierter (ferralitisierter)
Alluvischer
Boden.
trockenem Ambiente; wenig or-
Boden
in
sehr
ganische Substanz, geschichteter
Sand.
aufgrund der Trockenheit sind
Durch die unzureichende Festi-
die Böden extrem unfruchtbar.
gung des Bodens durch organische
Substanz
Problem.
Griechenland.
101
ist
Beispiel
Erosion
aus
ein
Kreta,
Abbildung 50: Die Biogeochemie umfaÿt den Stouss zwischen der Atmosphäre, der Biosphäre und dem Boden. Links: vereinfachte Darstellung der Hauptüsse, die beschrieben werden. Rechts: Unterscheidung zwischen Geochemie,
Biogeochemie und Biochemie. Quelle: Switzer & Nelson 1972
Proc..
•
Stovorräte (Pools) und die
•
Stoüsse (uxes)
Soil. Sci. Soc.Am.
quantiziert. Die Biogeochemie ist ein sehr junges Wissenschaftsgebiet, das sich
in den 60-er Jahren entwickelt hat. Die Anfänge gehen auf die Untersuchung
von aquatischen Ökosystemen zurück.
In der Abbildung 50 ist dargestellt, welche Prozesse von der Biogeochemie
erfaÿt werden. Ausserdem ist die Biogeochemie unterschieden von der Geochemie und der Biochemie. Die Geochemie konzentriert sich auf Stoüsse durch
das Ökosystem hindurch, das Ökosystem selbst wird als black box betrachtet. Die Biochemie befaÿt sich mit Prozessen auf kleinstem Raum innerhalb der
Panzenorgane.
Die Arbeiten zur Biogeochemie wurden rasch komplexer. Die Stoüsse in
Stoeintrag mit dem Niederschlag, den Einbau von Nährstoen in der Biomasse, sowohl der Bäume als auch des Nebenbestandes und der krautigen Vegetation, den Stotransport im Streufall, die
Auswaschung ins Grundwasser und die Stoakkumulation im Boden, die ent-
Abbildung 51 umfassen bereits den
weder als Aufbau einer Humusauage oder durch die Soprtion von Nährstoffen am Austauscherkomplex stattnden kann. Eines von vielen hervorragenden
Büchern zur Biogeochemie stellt die Stoüsse durch die Waldökosysteme des
Long-Term-Ecological Programs (LTER) der U.S.A. dar (Johnson and Lindberg, 1992). Ein europäisches Pendant ist das Buch über die Ökosystemstudie
Solling in Mitteldeutschland, in der ein Fichtenwald, ein Buchenwald und ein
Grünland-Ökosystem verglichen worden sind (Ellenberg et al., 1986). Auf dieser
Studie bauten später andere Experimente auf, die thematisch enger aufgestellt
waren. Ein Beispiel ist das Kompendium von Egbert Matzner über das Einzugsgebiet Lehstenbach in Deutschland (Matzner, 2004). Das klassische Experiment
über die Langzeitentwicklung ist das Hubbard-Brook Experiment in Massachussetts (Likens and Bormann, 1995). Im Zuge des Interesses an der Biogeochemie
hat auch das Studium der Bodenwasserchemie einen Aufschwung erlebt.
Ein geschlossener Nährstokreislauf ist gegeben, wenn mit dem Niederschlag
genauso viel eingetragen wird, wie im Sickerwasseruss und dem lateralen Fluss
dem Ökosystem verloren geht. Bei diesem Nährstobudget kommt dem Stouÿ
mit dem Streufall, der Nährstoe aus der Biomasse zurück auf den Boden (oberirdischer Streufall) und in den Boden (Wurzelstreu), eine besondere Bedeutung
102
Abbildung 51: Die Biogeochemie eines Laubwaldes in einer klassischen Arbeit
aus den 1970er Jahren, durchgeführt von Denayer & DeSmet (links) und eine
vollständige biogeochemische Aufklärung des Schwefelkreislaufes in Hubbard
Brook (Likens et al., 2002).
zu.
Eine Eigenschaft von reifen, ungestörten Ökosystemen ist der geschlossene
Nährstokreislauf. Alte Ökosysteme haben eine gröÿere Kapazität, Nährstoe
21 .
in einem geschlossenen Kreislauf zu halten (Odum, 1969)
Literatur-Hinweis:
for
Agriculture'
an
welchen
den.
Eine
der
Das
Forest
(USDA-FS)
Wasser-
Übersicht
Service
betreibt
und
über
der
diese
des
'United
zahlreiche
States
Nährstokreislauf
Standorte
Department
Wald-Versuchsstandorte,
ist
(http://www.fs.fed.us/research/efr/efr-sites/).
am
gemessen
Web
Das
wer-
verfügbar
bekannteste
Beispiel für die landwirtschaftliche Langzeit-Forschung ist das RothamstedExperiment in England (http://www.rothamsted.bbsrc.ac.uk/resources/
ClassicalExperiments.html),
das der bodenkundlichen Forschung zahlreiche
Impulse verliehen hat.
10.2.1
Biogeochemischer Kreislauf der Kationen
Der Kationenkreislauf ist in Abbildung 52 dargestellt. Durch die chemische Verwitterung von Gesteinen haben die Böden besonders in tieferen Schichten (wo
unverwittertes Gestein ansteht) eine hohe Basensättigung. Die Panzen nehmen
diese Nährstoe auf und geben, um die Elektroneutralität zu wahren, an den
Boden Protonen zurück. Der Boden versauert dadurch. Eine schon lange geführte Debatte ist ein Vergleich von Buche und Fichte bezüglich ihrer Wirkung
auf den Boden. Die Buche ist dafür bekannt, ein tiefreichendes Wurzelsystem
auszubilden. Sie kann damit Nährstoe aus einem groÿen Bodenvolumen entnehmen und auch die versauernde Wirkung der Nährstoaufnahme verteilt sich
auf einen gröÿeren Raum. Das tiefreichende Wurzelsystem ermöglicht der Buche
auch, Nährstoe, die bereits durch das Sickerwasser (Auswaschung) tief in den
Boden verlagert wurden, wieder aufzunehmen, im Saftstrom in die Baumkrone
zu bringen und dann mit dem Streufall wieder zum Boden zu führen. Diesen Ef-
21 Odum
1969 ist ein zeitloses Paper es hätte auch nächstes Jahr geschrieben werden
können.
103
Abbildung 52: Kationenkreislauf / Nährstoaufnahme durch Wurzeln und die
Versauerung als Konsequenz für den Boden (links); Quelle Stefan Smidt. Rechts
ist die Bedeutung der Wurzeltiefe auf die Nährstoversorgung dargestellt; Quelle
ein anonymer Künstler.
fekt nennt man die Basenpumpe. Die Fichte hat als tendenziell ach wurzelnde
Baumart diese Möglichkeiten nicht.
Die versauernde Wirkung der Nährstoaufnahme durch Panzen wurde ein-
2+
,
+
2+
+
Mg
, K , NH4 ) aus dem Boden (Bodenwasser) aufnehmen, wird zur Erhal+
tung der Elektroneutralität eine äquivalente Menge an Protonen (H ) an den
drucksvoll im Labor dargestellt (Abbildung 53). Wenn Panzen Kationen (Ca
Boden abgegeben. In der umittelbaren Umgebung der Wurzel, der Rhizosphäre
+
(Kapitel 6.7) ist die H -Konzentration am höchsten. Diese lokale Versauerung
wurde sichtbar gemacht, indem der Boden mit einem Säureindikator behandelt
wurde. Entlang der Zonen mit der höchsten Wurzeldichte zeigt die Farbreaktion
des Indikators den höchsten Säuregrad an.
10.2.2
Kohlensto
Der Kohlenstokreislauf (Abbildung 54) wird vom Austausch zwischen der Biosphäre und Atmosphäre (Photosynthese / Atmung) dominiert. Dieser CO2 Austausch ist annähernd ausgewogen, d.h. es wird jährlich eine groÿe Menge an
CO2 in den Panzen xiert (Brutto-Primär-Produktion) und durch Atmungsvorgänge (Respiration von Höheren Panzen Abbau der organischen Substanz des Bodens -
autotrophe Respiration und den
heterotrophe Respiration wieder
in die Atmosphäre zurück gebracht. Nur wenn es zu einer Verschiebung in der
Vegetationsdichte kommt (südliche Hemisphäre: Übernutzung der Regenwälder;
nördliche Hemisphäre: Zunahme der Waldäche), wird das Gleichgewicht verändert. Singuläre Ereignisse (Vulkanausbrüche, Pinatubo) haben einen deutlichen
Einuss auf den CO2 -Gehalt der Atmosphäre. Verbrennungsprozesse reichern
die Atmosphäre mit CO2 an. Die terrestrischen und aquatischen Ökosysteme
können langfristig das gebildete CO2 nicht absorbieren. Der Kohlenstokreislauf wird durch die Photosynthese eingeleitet. Kohlensto ist aus bodenkundlicher Sicht kein Panzennährsto. Der Boden hat mit der Versorgung der Panzen mit CO2 nichts zu tun. Ganz im Gegenteil, Panzen machen aus CO2 die
organische Substanz. siehe auch Kapitel 10.4.
Grössenordnung der C-Freisetzung aus dem Boden: Die Bodenatmung (he-
104
−
+
4
3
+
Abbildung 54: Links: Kohlenstokreislauf/schematisch; Mitte: Kohlenstokreislauf in Zahlen (Körner, 2000); rechts: lokaler Kohlenstokreislauf im Boden.
terotrophe und autotrophe Respiration) bewegt etwa 10
×
mehr Kohlensto
als alle Verbrennungsprozesse, die vom Menschen verursacht werden. Die Bodenatmung teilt sich zu je 50% in die heterotrophe und die autotrophe Respiration auf (vgl. Kapitel 6.3, 10.4, (Högberg and Read, 2006)).
Die Form der Landnutzung hat einen grossen Einuss auf den Kohlenstovorrat im Boden. Es wurde gezeigt, dass die Böden der Erde beträchtliche Kohlenstomengen durch die Urbarmachung und Kultivierung von Land erlitten haben (Lal, 2004). Dieser Verlust ist durch die Bodenbearbeitung (Durchmischung,
Veränderung des Bodenklimas, Belüftung des Bodens) und durch den Export
von organischer Substanz (Ernte) bedingt. Für österreichische Bedingungen sind
charakteristische Kohlenstovorräte der Böden in Tabelle
?? dargestellt. Nur
für die Waldböden ist ein Auagehums (LFH) angegeben. In Ackerland und
Grünland ist im Gelände kein LFH zu nden, da er entweder schnell abgebaut oder in den Boden eingearbeitet wird. Die österreichischen Böden zeigen
die Regelmäÿigkeit, dass Waldböden den höchsten Kohlenstopool aufweisen.
Grünland hat etwas weniger und der geringste Kohlenstopool tritt bei Ackerland auf. Die Standardabweichungen sind groÿ, da innerhalb einer Region der
Kohlenstovorrat stark schwanken kann. Die Unterschiede zwischen Grünland
und Waldökosystemen sind regional unterschiedlich. Grünland-Böden können
im Durchschnitt sogar höhere Kohlensto-Vorräte haben, weil Gräser tief und
dicht wurzeln und den Boden reich mit Kohlensto versorgen. Der Verlust an
Bodenkohlensto infolge einer Landnutzungsänderung zieht sich über mehrere
Jahre. Die Nutzung von früherem Grünland als Acker hat in der Schweiz zu
einem Abbau des Bodenkohlensto-Vorrates geführt, der sich über
≈
10 Jah-
re hingezogen hat (Hermle et al., 2008). Der Übergang von einem Gleichgewichtszustand des Kohlenstovorrates im Boden zu einem anderen wird durch
Carbon-Response-Funktionen beschrieben; Beispiele siehe (West et al., 2004).
Auf der europäischen Skala sind die landwirtschaftlichen genutzten Ökosysteme derzeit Kohlenstoquellen und die Waldökosysteme nehmen CO2 auf.
Insgesamt nehmen die Wälder soviel CO2 auf, dass terrestrische Ökosysteme
insgesamt eine Senke sind. Es werden immerhin
≈ 12% der anthropogenen CO2 -
Emissionen in terrestrischen Ökosystemen aufgenommen (Janssens et al., 2003).
Die Unterschiede in den Kohlenstokonzentrationen innerhalb einer Nutzungsform des Bodens sind in den Abbildungen 55, 56 dargestellt. Beachte etwa
den groÿen Unterschied zwischen Kohlenstopool extensiv und intensiv benutz-
106
Abbildung 55: Der Tiefenverlauf der Kohlenstokonzentration in GrünlandBöden Österreichs
Tabelle 24: Bodenkohlenstopool in Österreich
1
[Mg C ha
]. x
ist der Mittel-
wert, Std ist die Standardabweichung.
Depth
Ackerland
Grünland
Wald
Karbonat
[cm]
x±Std
x±Std
LFH
n.a.
n.a.
0-10
28.8±14.0
52.9±30.5
10-20
20.8±10.3
32.7±21.1
20-30
13.6±4.0
18.3±17.6
0-30
63.2±31.1
103.7±64.0
x±Std
26.1±18.5
42.3±12.5
25.4±12.8
19.6±13.0
87.4±32.6
Silikat
x±Std
26.0±26.6
50.0±13.8
37.1±10.8
32.2±11.3
119.4±28.7
tem Grünland. Auch Almböden nehmen eine Sonderstellung ein.
Die Bildung von organischen Kohlensto im Boden läÿt sich experimentell
schwer feststellen. Der Kohlenstopool ist kleinräumig variabel. Der Steingehalt
des Bodenprols an der Stelle der Probenwerbung übt einen groÿen Einuss auf
das Ergebnis (C-Vorrat) aus. Bei einem Vergleich der Kohlenstopools mit der
Inventurmethode kann ein
Vorher / Nachher-Vergleich
gemacht werden,
indem der Kohlenstopool am selben Standort zu mehreren Zeiten bestimmt
wird. Angesichts der hohen Vorräte an Kohlensto (siehe Tabelle 24) und der
hohen Standardabweichung müssen Bodenveränderungen sehr groÿ sein, um statistisch absicherbar zu sein. Die einzige Abhilfe ist die Werbung und chemische
Analyse einer sehr groÿen Anzahl von Proben (mit hohen Kosten).
Als Alternative können die Kohlenstoüsse direkt gemessen werden. Eine solide Methode ist die Schätzung der Brutto-Primärproduktion mit Methoden der Panzenphysiologie oder der Waldinventur und die Messung der CO2 Emission mit Hilfe von
Küvetten (Aber and Melillo, 1991; Hauk and Schadau-
er, 2009; Kutsch et al., 2009). Dabei wird nur eine CO2 -Bilanz gemessen, die
dem ursprünglichen Kohlenstovorrat im Boden zugerechnet wird. Die Messanordnungen sind meistens komplex (vgl. Abbildung 57).
Eine technisch aufwendigere Methode zur Messung der CO2 -Flüsse ist die
107
Abbildung 56: Der Tiefenverlauf der Kohlenstokonzentration in Acker-Böden
Österreichs
Abbildung 57: Messanordnung zur Erfassung der CO2 -Emission aus einem
Waldboden in Achenkirch, Tirol. Mit einer Küvette wird Luft, die aus dem Boden entweicht, gesammelt und die CO2 -Konzentration wird mit einem InfraRedGasAnalyzer (IRGA) gemessen.
108
Tabelle 25: Mittlere Kohlensto-Flüsse in verschiedenen Biomen der Erde; GPP
. . . Brutto-Primärproduktion, NPP . . . Netto-Primärproduktion, NEP . . . NettoÖkosystem-Produktivität, Re . . . Respiration; (Luyssaert et al., 2007).
Boreal
humid
Nadel
Boreal semiarid
Laub
Temperiert humid
Nadel
Laub
GPP
973±83
773±35
1201±23
1762±56
1375±56
NPP
271±17
334±55
539±73
783±45
738±55
NEP
131±79
40±30
178±NA
398±42
311±38
Re
824±112
734±37
1029±NA
1336±57
1048±64
Temperiert
Nadel
semiarid
Mediterranean
warm
Immergrün
Immergrün
Tropical
humid
Immergrün
GPP
1228±286
1478±
136
3551±160
NPP
354±33
801±
NA
864±96
NEP
133±47
380±
73
Re
1104±260
1112±
403±102
3061±162
100
eddy covariance method. Dabei werden aufsteigende und absteigende Luftpakete (eddies) mit hoch-empndlichen Sensoren gemessen. Man benötigt einen
Windsensor, der die Windstärke und die Windrichtung im Raum erfasst, und
einen schnell messenden CO2 -Analysator. Die Eddy Covariance Methode ergibt eine Kohlenstobilanz für einen gröÿeren Ausschnitt des Geländes als die
Küvetten-Methode. Schwierigkeiten sind nächtliche Flüsse des CO2 , einer Zeit
wenn die Turbulenz der Atmosphäre gering ist, und lokale Winde (Berg-, Talwind), welche die Berechnung der lokalen Flüsse extrem schwierig machen
22 .
In der Tabelle 25 sind die CO2 -Flüsse für verschiedene Regionen dargestellt.
Die Herausforderung der Eddy Covariance Methode wird deutlich: es werden
sehr groÿe Flüsse in das System und aus dem System heraus gemessen. Die
Dierenz zwischen der Brutto-Primärproduktion und der Respiration ist klein.
Die Netto-Ökosystem Produktion (NEP) ist der gesamte Kohlensto für die
Bildung von Bodenkohlensto, Kohlenstoexport in der üssigen Phase. In dieser kleinen Dierenz liegt potentiell die Formation von Bodenkohlensto, aber
auch alle akkumulierten Fehler der Methode. Fazit: Auch die Eddy-Covariance
Methode ist mit beträchtlichen Schwierigkeiten behaftet (Lovett et al., 2006).
10.2.3
Sticksto
Der Stickstokreislauf (Abbildung 58) wird von der Jagd nach Proteinen (RNH2 ) in der Biosphäre geprägt. Gesteine enthalten keinen Sticksto. Die Gesteinsverwitterung ist daher keine Stickstoquelle. In der Atmosphäre kommt
Sticksto in grossen Mengen vor, allerdings ist die häugste Form (N2 ) chemisch
inert und kann nur von Spezialisten (z.B. den Leguminosen) genutzt werden.
22 Angesichts
des hohen Aufwandes der Inventurmethode und der technischen Eleganz der
Eddy Covariance wurde dein Vergleich zwischen den CO2 -Flüssen im Boden und den Buchüssen einer Bibliothek gezogen. Es wurde argumentiert, dass es möglich wäre, täglich alle
Bücher zu zählen, oder am Ausgang die Zugänge und Abgänge der Bücher zu messen. Der
gelungene Vergleich wurde getrübt durch den Hinweis auf Buchverluste, die normalerweise
nicht am Ausgang der Bibliothek dokumentiert werden.
109
Abbildung 58: Links: Stickstokreislauf/schematisch; Mitte: wichtigste Organismengruppen im Stickstokreislauf; rechts: die Stickstomineralisierung ist ein
zweistuger Prozess, bestehend aus Ammonikation und Nitrikation.
Sticksto wird daher in einem geschlossenen biogeochemischen Kreislauf gehalten. Dabei spielen die Mikroorganismen wieder eine grosse Rolle, wenn sie im
Zuge der Ammonikation und Nitrikation den organischen Sticksto wieder
in eine panzenverfügbare Form überführen (Abbildung 58). Anthropogen wird
der Stickstokreislauf massiv verändert (Vitousek et al., 1997). Die Folge ist die
Eutrophierung der Ökosysteme.
Der Stickstokreislauf ist durch den Menschen dramatisch verändert worden.
In der Abbildung 59 ist dargestellt, welche Prozesse den molekularen Sticksto in
reaktiven Sticksto transformieren. Der globale Stickstokreislauf der terrestrischen Ökosysteme ist eng an den N-Kreislauf der Ozeane gebunden. Ausserdem
besteht eine enge Bindung zwischen den Kreisläufen von Sticksto, Kohlensto
und Phosphor. Die menschliche Überprägung des Stickstokreislaufes führt zu
einer vor hundert Jahren noch für unmöglich gehaltenen Produktivität der Ökosysteme, aber auch zu vielen ökologischen Problemen, die unter dem Schlagwort
Sticksto-Eutrophierung
subsumiert sind.
Die Mineralisierung organischer Stickstoverbindungen hat mehrere Wege:
CH2 O(N H3 ) + O2
Nitrikation:
N H4+ + 2O2
Denitrikation:
4N O3 + 5CH2 O
Ammonikation:
dissimilatorische
Nitratreduktion:
N O3 + H2 O + 2CH2 O
= N H4+ + HCO3
(36)
+
= N O3 + 2H + H2 O (37)
= 2N2 + 5HCO3 + H + +
+2H2 O
(38)
=
2N H4+ + 2HCO3 +
+H + + 2H2 O
(39)
In der Abbildung 60 ist der Protonenhaushalt im Kontext mit dem Stickstohaushalt dargestellt:
•
Beim Abbau von Eiweiss (RNH2 ) zu Ammoniak (NH3 ) sind keine Proto-
+
nen (H ) involviert
•
+
Bei der Ammonikation wird NH3 zu Ammonium (NH4 ) protoniert. Dabei wird ein H
•
+
konsumiert.
+
+
Falls NH4 von der Panze aufgenommen wird, wird von der Panze ein H
110
Abbildung 59: Globaler Stickstokreislauf. Die blauen Pfeile zeigen den natürlichen Kreislauf, die orange-farbenen Pfeile zeigen den menschlich (anthropogen)
Tg N pro Jahr, die
±20% bekannt, vielfach sind aber
et al. Nature 2008.
verursachten Teil des Stickstokreislaufes. Die Einheit ist
Zahlen gelten für 1990. Die Flüsse sind mit
die Unsicherheiten
R-NH2
> ±50%.
Quelle: Gruber
NH3
OH
@
I
@
2 H
+
+
NH4
NO3
6
6
PFLANZE
+
H
?
OH
?
+
H
2 H
@
R
@
R-NH2
-
-
NH3
Abbau, Ammonizierung
+
-
+
NH4
BODEN
?
Nitrizierung
NO3
leaching
?
Abbildung 60: Bedeutung des Stickstokreislaufes für den
pH-Wert des Bodens.
Die schwarzen Pfeile zeigen die Richtung der chemischen Reaktion, die roten
Pfeile die Bildung und Aufnahme von Protonen (Reuss and Johnson, 1986).
111
+
H
R-NH2
+
NH3
+1NH4
NO3
+1
+
H
OH
Aufnahme
durch Panzen
R-NH2
+
NH3
NH4
-1
+2
N2 O
NO3
N2
+
Ammonikation
+1
H
Nitrikation
Denitrikation
Abbildung 61: Stickstokreislauf / noch schöner
an den Boden abgegeben und die Bilanz ist ausgeglichen. (geschlossener
Kreislauf )
•
•
+
+
gebildet und in
+
den Boden abgegeben. Eines wird durch das H aus der Ammonizierung
+
egalisiert, ein H bleibt vorerst über.
Falls NH4 zu Nitrat (NO3 ) nitriziert wird, werden 2 H
Falls NO3 von der Panze aufgenommen wird, wird von der Panze zur
Erhaltung des Ladungsgleichgewichtes ein Hydroxid (OH
+
und das H
•
) abgegeben
ist neutralisiert. (geschlossener Kreislauf )
+
Falls NO3 durch Auswaschung verloren geht, verbleibt das H
im Boden;
der Boden versauert.
Der erste Schritt der Stickstoumsetzung im Boden ist die Oxidation von
+
Ammonium (NH4 ). Bis etwa 2005 wurden für die Ammoniumoxidation die Bak-
+
terien verantwortlich gemacht. Später wurde gezeigt, dass NH4 -oxidierende Ar-
+
23
chea in Böden häuger sind als NH4 -oxidierende Bakterien.
23 zur
Illustration der Evidenz:
Die
Untereinheit
eines
Gens
des
Schlüsselenzyms
ammonia
monooxygen-
ase (amoA) wurde in Böden verschiedener Klimazonen untersucht. amoAGensequenzen der Crenarchaeota (Archaea) waren bis zu 3,000× häuger als
amoA-Gensequenzen von Bakterien. Auÿerdem wurden hohe Mengen an Fettsäuren, die für die Archea typisch sind, gefunden. Reverse-transcription PCR und
112
Abbildung 62: Die Simulationsmodelle für Bodenprozesse unterscheiden sich in
ihrer Komplexität.
10.3
Der Boden im Simulationsmodell
. . . das kommt später
•
Century
•
COUP
•
Yasso
•
...
Fragen: was soll ein Modell können? wie komplex darf ein Modell sein (Abbildung 62?
10.4
Boden und Klimaänderung
Böden sind die grössten Kohlenstospeicher der terrestrischen Ökosysteme. Angesichts des steigenden CO2 Partialdruckes in der Atmosphäre (Abbildung 63)
ist die Stabilisierung des Bodenkohlenstoes auf einem hohen Niveau von grosser
Bedeutung.
. . . CO2 - REspiration . . . ½mañana, hombre! . . . N2O - Emissionen. . . .
Der Kohlensto-Vorrat des Bodens wird in einer wärmeren Welt kleiner, da
durch die höheren Temperaturen die mikrobielle Umsetzung der organischen
Substanz beschleunigt wird. Dabei wird CO2 freigesetzt, das durch den Glashauseekt die Erwärmung der Atmosphäre weiter ankurbelt. Die Erwärmung
hat daher auf den Kohlenstoumsatz eine positive Rückkopplung; d.h. der Erwärmungseekt wird aufgeschaukelt.
Eine europäische Studie hat gezeigt (Schils et al., 2008, ClimSoil-Report):
komplementäre DNA-Analysen haben gezeigt, dass die Archea auch tatsächlich
aktiv sind. (Leininger et al., 2006).
113
Abbildung 63: Anstieg des Partialdrucks von Kohlendioxid in der Atmosphäre.
Tabelle 26: Der globale Kohlenstopool im Boden (Batjes, 1996; Lal, 1999; Jobbágy and Jackson, 2000).
Depth
borealer
Wald
Kohlenstodichte [kg
m
0-1
1-2
2-3
m
m
m
tropischer
Laubwald der
gemässigten Zone
Nadelwald der
gemässigten Zone
Regenwald
9.3
17.4
14.5
18.6
2.4
3.3
3.6
5.4
0.8
2.1
2.3
3.9
2
]
Fläche und C-Ppool [Pg]
12
Fläche [× 10
C in 0-1
C in 0-3
m2 ]
m
m
6
12
7
5
17
112
122
73
316
150
160
102
474
6
labiler
Boden-C
6
6
C-Transfer von Boden
in Atmosphäre
stabiler
Boden-C
C Auswaschung
?
?
und Erosion
Abbildung 64: Bodenkohlensto wird in labile und stabile Pools eingeteilt. Die
Grenze ist operational deniert. Beide Pools sind biologisch abbaubar und entlassen C in die Atmosphäre oder in das Grundwasser.
114
•
In den Böden der EU (EU-27) sind derzeit 73-79 Milliarden
t
C gespei-
chert.
•
Die Hälfte davon liegt in den Moorböden von Grossbritannien, Skandinavien und Finnland.
•
Die europäischen Grünländer (grassland) sind Kohlenstosenken
•
Die europäischen Wälder sind Kohlenstosenken
•
Die europäischen Ackerächen sind Kohlenstoquellen
•
Die europäischen Moorböden können sich durch die Erwärmung und durch
die Abnahme der Vernässung zu enormen Kohlenstoquellen entwickeln.
•
Mit der Form der Landbewirtschaftung kann der Kohlenstovorrat im
Boden beeinusst werden.
•
Änderungen der Landnutzung haben sogar einen gröÿeren Eekt auf den
Bodenkohlenstovorrat als die globale Erwärmung.
•
die Intensivierung der Bodennutzung durch die gemeinsame europäische
Agrarpolitik wird den Bodenkohlenstovorrat verändern.
Weltweit: REDD - Projekte
Antwort
in
10.5
-
Wasserleitung vs Bodenart
Wasserhaushalt der Böden - Feldkapazität, PWP
Was ist ein Lysimeter??
11 Panzenproduktion
Vegetation und Boden - Tundra bis Wüste
Wasseraufnahme der Panzen
Nährstobilanz
Nährstoverfügbarkeit
Nährstoversorgung
Chemische Bodenuntersuchung
12 Bodensystematik
12.1
Bodenhorizonte
In der Bodenkunde werden im Gelände erkennbare Merkmale bzw die Abfolgen
der Horizonte als Einteilungskriterien der Böden verwendet.
•
Firenze
2011??
Organische Auage- und Humushorizonte: Der Auagehumus hat mehr als
30% organische Substanz in der Trockenmasse, das entspricht etwa 40-50
Vol.%.
115
(L-Horizont) Streu: Besteht aus nicht oder nur wenig zersetzten organischen Panzenresten. Der Anteil an organischer Feinsubstanz liegt
unter 10 Vol.% der organischen Gesamtmasse und besteht groÿteils
aus den Ausscheidungen der Bodenfauna bzw. deren Resten. Die Lagerungsarten des aus Laub hervorgegangenen L-Horizontes können
sein:
locker:, zusammenliegend, nicht miteinander verklebt - verklebt:
Blattspreiten miteinander verklebt (vor allem im Übergang zum FHorizont). Mit Annäherung an den F-Horizont ist meist eine stärkere Bleichung, Fleckung, Bräunung und Rissigkeit der Blätter zu
erkennen. Nadelstreu besteht aus mehr oder weniger ausgebleichten Nadeln, die etwas punktiert sein können, in ihrer äuÿeren Form
aber unverändert sind. Nadelförna bildet meist eine lockere Decke.
Vernetzung (Nadeln aneinanderhängend) tritt selten auf.
Grobmoder (F-Horizont): Die oberirdischen Panzenreste sind verschieden stark zerkleinert, als solche zu erkennen, aber deutlich fragmentiert, gebleicht oder ergraut, gesprenkelt oder punktiert. Die Feinsubstanzgehalte schwanken zwischen 10 und 75 Vol.% der organischen
Gesamtmasse, nehmen häug nach unten hin stark zu. Lagerungsarten des aus Laub hervorgegangenen F-Horizontes können sein:
locker
ohne Zusammenhalt einzeln liegend, zum Teil aneinanderhängend,
verklebt:
schichtig: dicht übereinanderanderes: wird verwendet, wenn die oben
deutlich aneinanderhängend,
liegend, zu Paketen verklebt,
genannten Lagerungsarten nicht zutreen. Lagerungsarten des aus
Nadeln hervorgegangenen F-Horizontes können sein: - locker: siehe
oben - verklebt: siehe oben - schichtig: schichtige Lagerung, nur stellenweise abhebbar - brechbar: gesamter Of-Horizont ist abhebbar;
Material stark durch organische Feinsubstanz und Verpilzung miteinander verochten, sodaÿ es bei stärkerem Biegen bricht. - anderes:
siehe oben
Die Panzenreste (Nadeln, Nadelstücke, Ästchenstücke) ähneln in ihren Formen noch jenen des L-Horizontes. Die höheren Feinsubstanzanteile und die meist vorhandene, mehr oder weniger starke Verpilzung verursachen die verschiedenen Lagerungsarten des F-Materials.
Wurzellz kann auftreten, mineralische Beimengungen sind selten.
Der Übergang zum H-Horizont kann von scharf bis allmählich übergehend variieren, bei ungünstig zu beurteilenden Humusformen läÿt
sich der F-Horizont lagig abheben und so leicht trennen.
Feinmoder (H-Horizont): Die organische Feinsubstanz überwiegt
stark, sie hat meist einen Anteil von über 75 Vol.%. Oberirdische
Panzenreste können, vor allem im dem F- Horizont benachbarten
Bereich, noch vorhanden sein, das biogene Ausgangsmaterial ist nur
ausnahmsweise erkennbar (Zapfen, Holz, Rinde,...) und lagig oder linsenförmig eingemischt. Unter Fichte ist oft ein ausgeprägter Wechsel
zwischen nadelrestreichen und feinsubstanzreichen Lagen zu nden.
Bei dem aus Resten von Laub und Nadeln hervorgegangenen Material des H-Horizontes können folgende Lagerungsarten auftreten: locker: überwiegend pulverig zerfallend, - bröckelig: in gut kantengerundet zerfallende, mehr oder weniger groÿe Stücke aus organischer
Feinsubstanz mit nennenswerten Anteilen an Panzenresten - kom-
116
pakt: dichtgelagerte organische Feinsubstanz mit geringen Anteilen
an Panzenresten, bei Biegebeanspruchung brechend - anderes: siehe
oben
Das H-Material ist schwärzlich gefärbt, es können allerdings auch
dunkelrötlichbraune bis rötlichschwarze Farbtöne auftreten. Mineralische Substanz fehlt oder ist nur bis zu etwa der Hälfte des Substanzvolumens vorhanden. Ist die biologische Aktivität gering, so
kann die mineralische Substanz auch eingeweht (Flugsand) oder eingeschwemmt (z.B. durch das Stampfen eines achwurzelnden Fichtenbestandes auf staunassen Böden) oder anthropogen bedingt sein.
Auf entwässerten Moorböden ist eine Abgrenzung zwischen Oh und
Terd kaum möglich; die Horizontmächtigkeit wird von der Bodenoberkante angegeben.
Das H-Material kann mittels Fingerprobe durch sein seiges Anfühlen von stark humosen Mineralbodenhorizonten unterschieden werden. Fühlt es sich schmierig an, so deutet dies auf Wassereinuÿ
ein
Wurzellz (M-Horizont) Der M-Horizont bezeichnet einen stark humosen und dichtgelagerten Wurzellz, somit einen AuagehumusHorizont, der nicht mehr in L-, F- und H-Horizonte aufgetrennt werden kann.
Torf (T-Horizont) Unter dieser Bezeichnung versteht man Torfschichten unterschiedlicher Humizierungsgrade und unterschiedlicher Zusammensetzung, deren Mächtigkeit mindestens 30 cm betragen muÿ,
z.B. Schilf-, Bruchwald-, Sphagnum-, Rohhumus- (rotstichig, verlztsperrig), Seggentorf. Torf kann unzersetzt bis völlig zersetzt bzw. kolloidfrei bis ganz aus Kolloiden bestehend sein (H1 H10).
•
Mineralbodenhorizonte Gemeinsames Merkmal ist ein Anteil von unter
30 M.-% bzw. 35 V.-% organische Substanz, Ausnahmen können terrestische Böden im Hochalpin sein mit höherem Humusanteil, Ursache ist der
geringe Stoumsatz auf Grund des Klimas (Temperatur).
A-Horizont: Mineralischer Oberbodenhorizont mit erkennbarer Akkumulation organischer Substanz und entsprechender Färbung. Die
Abgrenzung zu H-Horizonten erfolgt über den Humusanteil, die zu
unterliegenden Mineralbodenhorizonten über einen Farbunterschied
von mindestens einer Chromastufe aufweisen.
B-Horizont: durch Eisenoxid oder Eisenoxidhydrat gefärbter Verwitterungshorizont oder Anreicherungshorizont
C-Horizont: locker oder fest, aus dem der Boden entstanden ist Ausgangsmaterial (Muttergestein), oder das den Boden unterlagert
E-Horizont:
durch
Lessivierung
(Illimerisation),
Podsolierung,
Feuchtbleichung oder Solodierung bleich bzw. fahl gefärbter Eluvialhorizont ohne sichtbaren Humusgehalt
G-Horizont: durch Grundwasser geprägter Gleyhorizont. In Folge des
wechselnden Sauerstogehaltes treten reduzierende und oxidierende
Bedingungen auf.
117
P-Horizont: Stauzone eines Pseudogleys, durch Tagwasser geprägt,
fahl, nicht (wesentlich) humos. Er ist deutlich fahleckig, mäÿig rosteckig und kann Punktkonkretionen aufweisen.
S-Horizont: Staukörper eines Pseudogleys. Dichtlagernder Mineralbodenhorizont mit deutlicher Marmorierung, der durch einen höheren
Ton und/oder Schluanteil nahezu wasserundurchlässig ist
Y-Horizont: Dieser Horizont besteht aus künstlich umgelagerten
und/oder technogenem Material
Zur näheren typologischen Beschreibung der Horizonte können
staben
Kleinbuch-
als Suxe (Zusatzsymbole) verwendet werden. Suxe können auch als
charakteristische Horizontattribute Hauptsymbolen beigefügt werden, wenn die
Ausprägung dieser Merkmale nicht für die Unterscheidung eines eigenen Horizontes ausreicht. Freie Suxe sind nicht an bestimmte Horizonte gebunden und
können prinzipiell jedem Horizont zugeordnet werden (mit * gekennzeichnet),
gebundene Suxe hingegen sind nur bei bestimmten Horizonten zulässig (siehe
Tabelle 65).
Übersicht über die freien und gebundenen Suxe (in alphabetischer Reihenfolge): (freie Suxe sind mit * gekennzeichnet)
a (a von A für humose Horizonte): bei unterliegenden Horizonten, die einen
geringen und erkennbaren Humusanteil aufweisen, insbesondere an Aggregatgrenzächen. Der Humusgehalt liegt i.d.R. unter 1 M.-% (vgl. h)
b (b von braun): bei Horizonten, die eine leichte Verbraunung erkennen lassen.
beg* (beg von begraben): bei sichtbaren Diskontinuitäten im Bodenprol.
ca* (ca von lat. calx, Kalk): kann für alle Horizonte verwendet werden, wenn
eine Anreicherung von Kalziumkarbonat vorliegt.
cs* (cs von Kalziumsulfat): mit Gips angereicherter Horizont.
e (e von lat. eluere, auswaschen) für stärkere Podsoligkeit (im Vergleich zum
Sux he). Der Humus ist überwiegend ausgewaschen, blanke Quarzkörner
sind sichtbar. Das Gefüge ist im trockenem Zustand ausgeprägt brüchigkohärent, in feuchtem Zustand bei leichtem Druck breiartig zerieÿend.
Gebleichte Horizontabschnitte (weiÿrosa bis graubräunlich, häug violettstichig) sind in stark ungleich humose, gebleichte Horizontabschnitte sowie nesterartig in ächenhaft entwickeltem Ahe -Horizont eingesprengt. Die
Horizontabgrenzung ist nach oben sehr scharf, nach unten undeutlich ieÿend.
eg (e von lat. eluere, auswaschen, g von der russischen Lokalbezeichnung gley,
sumpges Bodenmaterial): für Naÿbleichung bei alpinen Böden.
ew* (ew von entwässert): eine Horizontausprägung aufgrund besonderer Wasserverhältnisse, die nicht in Einklang mit der gegenwärtigen Dynamik stehen. Es handelt sich in den meisten Fällen um eher kurzfristig zurückliegende Entwässerungsmaÿnahmen.
erd (erd von vererdet): für vererdeten, stark zersetzten Torfhorizont.
118
g* (g von der russischen Bezeichnung gley): für leichte Gley- oder Pseudogleyerscheinungen im allgemeinen, wenn eine genaue Ansprache als gd oder gg
nicht möglich ist; g ist somit nur im Zweifelsfalle zu verwenden.
gd* (g von gley, d von lat. dies, Tag): für leichte Vergleyung durch Tagwasser.
gg* (g von gley, bzw. g von Grundwasser): für leichte Vergleyung durch Grundwasser.
h (h von Humus): deutlich sichtbare Humusstoe aus den oberen Horizonten
duch Podsolierung oder Solodierung angereichert.
hb (h von Humus, b für biogen): für biogene Akkumulation der organischen
Substanz im A-Horizont, keine erkennbare Inltration.
he (h von Humus, e von lat. eluere, auswaschen): für mäÿige Podsolierkeit. Der
Humus ist überwiegend eingewaschen, das Gefüge meist brüchig-kohärent,
z.T. zugleich plattig, örtlich kleine, meist dius wolkige Bleichecken mit
1 - 2, maximal 4
cm Durchmessser, ungleichmäÿig humos, Horizontbegren-
zung nach oben meist scharf, nach unten meist undeutlich, wellig, vereinzelt taschenförmig geformt; blanke Quarzkörner sichtbar. hi (h - Humus, i
von lat. inltrare, einwaschen): für abiotische Stotransport, Inltration;
vertikal ungleich humos, violettstichig; undeutliche Anzeichen beginnender
Auswaschung, jedoch keine erkennbaren Bleichecken.
i (i von lat. initium, Anfang): für initiale Bodenbildung und geringe Akkumulation organischer Substanz. Der Horizont ist nicht ächendeckend ausgebildet und weniger als 2
cm mächtig.
l (l von lat. luere, waschen): für fahlgefärbten, humosen Lessivierungshorizont,
an dem keine Podsolierung erkennbar ist.
m* (m von mischen): für Horizonte, in die natürliches Material anderer Horizonte inhomogen eingemischt ist, auÿer durch Rigolen.
my (my von gr. mycogen, durch die Aktivität von Pilzen geprägt): überwiegend
mycogener Horizont.
n (n von lat. novus, neu): für weitgehend unverwittertes bzw. unzersetztes Material (für C-Horizont bzw. organische Auagehorizonte).
nat (nat von natürlich): für ehemals bodenbürtiges, jedoch umgelagertes Material.
o (o von Oxidation): für den Oxidationsbereich des G-Horizontes; deutlich rosteckig, kaum gleyeckig.
p (p von pügen): für einen durch periodische Bodenbearbeitung beeinuÿten
Horizont.
r (r von Reduktion): für den Reduktionsbereich des G-Horizontes; deutlich reduktionsfarben, kaum rosteckig.
rel* (rel von reliktisch): für altes Bodenmaterial oder eine alte Verwitterungsdecke, das/die (vermutlich) ohne menschliche Überprägung enstanden ist.
119
rig* (rig von rigolen, Tiefbearbeitung des Bodens, haupts. bei Wein- und Obstkulturen): für eine rigolten Horizont.
s (s von Sesquioxid): für Sesquioxid-Anreicherung aus den oberen Horizonten
durch Podsolierung.
sa* (sa von Salz): für eine allgemeine Anreicherung von (für Nutzpanzen
schädlichen) Salzen.
t (t von Ton): für Ton-Anreicherung aus den oberen Horizonten durch Lessivierung.
tec (tec von technogen): für technogenes Material wie z.B. urbane, gewerbliche
oder industrielle Abfälle (Bauschutt, Aschen, Schlamm, Schlacken, Müll,
Kompost).
u (u von unterlagernd): für unterlagerndes Material, das sich lithologisch
und/oder genetisch von den oberliegenden Horizonten deutlich unterscheidet, z.B. Gesteinszersatz unter Löÿ.
v (v von lat. vetus, alt und von verwittert): bereits angegrienes, umgwandeltes,
verändertes, gealtertes Material.
w (w von engl. wood, Holz): für Horizonte, die mehr als 35 V.-% Holz aufweisen. Weist das Holz keine Besiedelung mit holzzerstörenden Pilzen auf, so
wird es in Verbindung mit dem L-Horizont verwendet, trägt das Holz jedoch Pilzhyphen und ist ein Verlust von Festigkeit feststellbar, steht dieses
Sux mit einem F-Horizont.
wf (wf von Wurzellz): für das Auftreten von Wurzellz als bestimmendes
Merkmal, besonders in H- und F-Horizonten; es wird keine Unterscheidung
vorgenommen, welche Panzen - oder Baumart den Wurzellz hervorruft.
y* (y für nicht im Detail denierbare Materialien): für künstlich umgelagertes
und technogenes Material.
zm (z von gr. zoogen, m von gr. mycogen): Mischtypus von zoogen und mycogen.
zo (zo von gr. zoogen): überwiegend durch die Aktivität tierischer Lebewesen
geprägter Horizont.
Freie Suxe: Folgende Suxe sind frei und können jedem Horizontsymbol
zugefügt werden: beg ca cs ew g gd gg m rel rig sa y
12.2
Österreichische Bodenklassikation / andere Klassikationen
Jede Bodensystematik ist umstritten, da verschiedene Zugänge gleich gut argumentiert werden können.
Derzeit sind 3 groÿe Gruppen von Systematiken im Einsatz (Tabelle 27). Die
Hauptgruppen der österreichischen Bodensystematik sind in der Abbildung 66
dargestellt. Eine detaillierte Beschreibung ist den Mitteilungen der Österreichischen Bodenkundlichen Gesellschaft zu entnehmen.
120
Abbildung 65: Suxe f Horizonte
Tabelle 27: Koexistierende Bodenklassikationssysteme
Schule
Eigenheit
Vorteil
Nachteil
Europäische,
Morphologisch im Gelände er-
Feldarbeit
idiosynkratische
traditionelle
kennbare Kriterien sind für sy-
führt zu ver-
Einordnung
Bodensyste-
stematische
bindlichem
möglich;
matik
Bodens entscheidend.
Ergebnis
nisstand entschei-
Einordnung
eines
dend;
Kenntnationale
Entwicklungen
US-Soil Taxo-
diagnostische Horizonte
verbindliches,
Geländearbeit
nomy
den im Labor untersucht; Über-
nachvoll-
unbefriedigend,
Unterschreitung von Grenzwer-
ziehbares
teure Analysen
ten
Ergebnis
FAO
World
wer-
Böden in grosse Gruppen einge-
weltweit
für regionale Kar-
Reference
ordnet;
bekannt
tierung
Base (WRB)
werte
morphologische
Kenn-
(http://www.
fao.com)
121
net
ungeeig-
Böden
hydromorphe
Böden
terrestrische
Böden
Karbonat
Rendzina
Tschernosem
Kalklehm
Tag-
Silikat
Au
Ranker
Auboden
Wasser
Pseudogley
GrundWasser
Gley
Braunerde
(Rotlehm)
Podsol
Parabraunerde
Abbildung 67: Bodentypen in Österreich und Entwicklungsreihen von Böden.
Eine
kurze
Übersicht
über
Böden
siehe
http://www.waldwissen.
net/themen/waldoekologie/boden_standortkunde/bfw_waldboeden_
hochlagen_2003_DE mit Artikel zum Download von Michael Englisch.
Ausserdem ein Bestimmungsschlüssel (Kilian, 2002).
12.3
Andere Systematiken
24 für die jeweilige Region bestens
Während sich nationale Bodensystematiken
eignen, sind sie oft bei Darstellungen von Böden in Groÿregionen überfordert
bzw dazu gar nicht ausgelegt. Die US Soil Taxonomy und die World Reference
Base der FAO sind dafür geeignet. Auf den hohen Stufen der Hierarchie sind
die beiden Systematiken ähnlich (Abbildung 68).
12.4
Die Böden der Welt
Eine Darstellung der Böden der Welt gibt Abbildung 68.
Eine wichtige Resource für Europa ist die Europäische Umweltagentur (European Environmental Agency; EEA), die zu vielen Themen des Status und der
Belastung von Ökosystemen Stellung nimmt. Unter anderem wird eine europäi-
25 angeboten (Abbildung 69).
sche Bodenkarte
12.5
Die Böden Österreichs
In der österreichischen Bodenkunde besteht seit langem eine Kluft zwischen
der land- und der forstwirtschaftlichen Bodenkunde, wobei die Bodenkundliche
Gesellschaft ein wichtiges Bindeglied darstellt. Zahlreiche Gründe sind für das
Nebeneinander verantwortlich (Tabelle 28).
24 . . . neben der Befriedigung von individuellen Bedürfnissen
25 http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/the-major-soil-types-of-europe/
;dieKarteistinmehrerenFormatenundAuflösungenverfügbar.
123
Abbildung 68: Globale Verteilung der Böden nach der US-Soil Taxonmy; Quel-
http://soils.ag.uidaho.edu/soilorders/;
http://www.fao.org.
le:
siehe von dort auch Link zu
Tabelle 28: Unterschiede zwischen landwirtschaftlich und forstwirtschaftlichen
Böden.
landwirtschaftlich
genutzer Boden
Waldboden
Auagehumus
oft
vorhanden,
diagno-
fehlt häug
stisch wichtig
oberer Mineralboden
ungestört,
diagnostisch
wichtig
Bodenbiologie
Pilze
durch
Bodenbearbeitung
stark durchmischt
und
Mikroorganis-
Regenwurm
men
Nährstoe
aus lateralem Input und
Düngung
Gesteinsverwitterung;
Düngung selten
Schastoe
aus atmosphärischem In-
aus
put (Deposition) ezi-
schlamm
ente
Filterung
der
Pestiziden,
Klär-
Luft
durch dichte Baumkronen
Bodenverdichtung
selten,
da
mechanische
Belastung gering
häug und gut erforscht,
wegen
Einsatz
schwerer
Bodenbearbeitungsmaschinen
untere Bodenhorizonte
von
Wurzeln
erreicht,
daher
oft
nicht
weniger
für
Nährstoversorgung
wesentlich
wichtig
Gesetz
Forstgesetz
124
Bodenschutzgesetze
Abbildung 69: Bodentypen in Europa nach Angaben der EEA.
125
Abbildung 70: Verteilung der wichtigsten Waldboden-Typen in Österreich.
Datenquelle: Österreichische Waldbodenzustandsinventur. Calc . . . Rendzinen
und Kalksteinbraunlehme; Camb
Ranker
. . . Ranker,
Spodo
. . . Braunerden, Psdgle
. . . Podsole,
Floodp
. . . Pseudogley,
. . . Auböden,
Peat
. . . Moorboden.
In der Abbildung 70 ist erkenntlich, dass etwa die Hälfte der österreichischen
Waldböden aus Karbonatgestein gebildet wird und daher zu Rendzina, Terra
fusca, (. . . ) zu zählen ist. Daneben sind Braunderden, Podsole weit verbreitet.
Die übrigen Bodentypen Auböden, Pseudogleye, Gleye, Mooorböden, Ranker
treten seltener bzw nur auf Sonderstandorten auf.
Die Digitale Bodenkarte Österreichs (ebod) wird am Bundesforschungsund Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft (BFW) entwickelt:
http://bfw.ac.at/rz/bfwcms.web?dok=7067.
Dabei kann man sich
einen Überblick über die Bodenkartierung einer Region verschaen und auch
einzelne Grundstücke durch Eingabe der Addresse nden (Abbildungen 71, 72)
oder auch über gröÿere Regionen Informationen (inklusive bodenchemischer Parameter beschaen (Abbildungen 73). Die jeweilige Entwicklung der ebod ist
auf
http://bodenkarte.at
dokumentiert.
13 Nährstoe
13.1
Haupt- und Nebennährstoe
Hauptnährstoe sind in grossen Mengen erforderlich (N, P,
Spurennährstoe sind nur in geringsten Mengen erforderlich.
Unterschied:
Ca, Mg);
S, K,
Vergleiche in Tabelle 1 die unterschiedlichen Elementgehalte in der panzli-
126
Abbildung 71: Übersicht über Bodenkartierung eines Gebietes.
Abbildung 72: Das Grundstück, für das man Interesse hat, kann per Eingabe
der Addresse gesucht werden.
Abbildung 73: Übersicht über gröÿere Lanschaftsteile am Beispiel der Wertigkeit
als Ackerland.
127
chen Biomasse und in der Erdkruste.
Mangelsymptome. bizarre Wuchsformen bei Spurenelementmangel
Kohlensto ist aus bodenkundlicher Sicht kein Nährsto, da die Panzen
ihren Bedarf zur Gänze aus der Luft decken (Photosynthese!). Kohlensto wird
nicht aus dem Boden aufgenommen!!!
13.2
Nährstoe Im einzelnen
Kalzium, Magnesium, Kalium: basische Kationen ; Kreislauf siehe Abbildung 52.
Eisen [Fe]: publicity durch Meeresdüngung mit
F eSO4 . Eisen ist für Plank-
ton im Meerwasser ein begrenzender Faktor. Durch Fe-Düngung wird Planktonwachstum vermehrt. Plankton sedimentiert und C der Biomasse sinkt zum
Meeresboden. Jedes Fe-Atom bindet 10000-100000 C-Atome. Source: Science
304, 2004, p.417
Sticksto [N]: kommt nicht aus der Gesteinsverwitterung. Verluste sind
daher nicht leicht auszugleichen. Daher wird N besonders gut im ökosystemaren
Nährstokreislauf (biogeochemischer Kreislauf ) gehalten (vgl. Tabelle 1).
Die basischen Kationen und Phosphor kommen überwiegend aus der Gesteinsverwitterung. Die mineralischen Quellen sind in Abbildung 74 dargestellt.
Vergleiche auch Kapitel 3.1.
Nährstoquellen:
•
Gesteinsverwitterung
•
biogeochemischer Kreislauf
•
Deposition (Regen, Schnee, Staub)
•
lateraler Import
14 Schadstoe
14.1
Anorganische Schadstoe
14.2
Organische Schadstoe
15 Fallbeispiel Bodenschutz
15.1
Einleitung
Bodenschutz beinhaltet die Maÿnahmen, die zum Schutz des Bodens unter dem
Aspekt des Natur- und Umweltschutzes getroen werden. Der Bodenschutz ist
als Teilbereich des Umweltschutzes im Bundesverfassungsgesetz über den umfassenden Umweltschutz (BGBl. Nr. 491/1984) verankert. Der Boden ist verfassungsrechtlich ein Umwelt(Schutz)gut. Es ist nicht weiter verwunderlich, dass
in dicht besidelten Regionen verschiedene Interessenslagen für die Bodennutzung aufeinander prallen (Abbildung 75 und Kapitel 2.3). Welche Funktion der
Boden letztlich erfüllen sollen, ist dann eine gesellschaftliche und keine naturwissenschaftliche Entscheidung. In dünn besiedelten Regionen ist oft sehr wenig
Boden vorhanden oder der Boden ist hoch empndlich.
128
Kalzit
@
Dolomit
Gips
Apatit
Amphibol
Biotit
Orthoklas
Plagioklas
K-Feldspat
Anorthit
@
@
Z
@
Z @
@Z @
@Z @
@
@ZZ@
@
@ Z
@
Z
@
@
@
J
@
@ Z
@
J @
@
Z@
Z
@
Z
J
@ @ H
HJ
@
@
HH
J H @@
@
XXX J H
H@
XJ
HH
X
XX
@
X
XH
X@
H
J
X
@
X
H
J
J
J
J
J
J
J
J
J
K
Ca
Mg
P
Abbildung 74: Herkunft der basischen Kationen und P aus der Gesteinsverwitterung.
Abbildung 75: In dicht besiedelten unterliegen die Böden aufgrund von Interessens verschiedenen Belastungen.
129
Abbildung 76: Entwässerungsgräben auf Borneo (a) und dadurch ausgelöste
Bodendegradation (b).
Abbildung 77: Heftiger Wind hat den unbewachsenen fruchtbaren Oberboden
durch Erosion abgetragen. Die natürliche Grundlage der Landwirtschaft ist dadurch verloren gegangen.
15.2
Entwaldung
Mega-Reisanbau in Borneo erfordert die Rodung des Regenwaldes und die Drainage des Wassers. Folgen sind Brände in der nun-mehr austrocknenden Region
(Aldhous, 2004; Page et al., 2002) (Abbildung 76).
Entwaldung bzw Walddegradation macht die Böden verwundbar für Erosion
(Pierce et al., 2004).
15.3
Unsachgemässe Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft
Berühmtes Fallbeispiel: Dustbowl im Südosten der USA nach dem ersten Weltkrieg (Abbildung 77).
15.4
. . . oder einfach S-O-L
Nicht menschlich verursachte Winderosion im Chad (Abbildung 78)
26 .
16 Bodenkunde im Gelände
Eine detaillierte Übersicht zur Geländearbeit ist einschlägigen Kartierungsanleitungen zu entnehmen (Kilian, 2002); Tabelle 35. Im genannten Heft ist auch
26 Vollständiger
Bericht in Nature 434, 816-819, 14 April 2005
130
Abbildung 78: Die Sedimente des Chadsee bestehen aus feinem Diatomeenstaub,
der im Seebecken in Schichten abgelagert wurde. Das Material ist schlug und
wird vom Wind aufgewirbelt.
Tabelle 29: Beurteilung der Deutlichkeit und Form des Horizontüberganges
Bezeichnung
Breite der Übergangszone (cm)
Symbol
Deutlichkeit
Scharf absetzend
sa
Absetzend
a
2 - 5
Übergehend
ü
6 - 10
Allmählich übergehend
kleiner 2
aü
gröÿer 10
Form
Gerade
g
Wellig
w
seichte Vertiefungen im Grenzverlauf, Ausbuchtungen breiter als tief
Taschenförmig
t
Vertiefungen, Ausbuchtungen tiefer als breit
Unterbrochen
u
Abbrechen der Grenzlinie und tiefer- oder höherliegende Fortsetzung
eine Übersicht über die österreichische Bodensystematik zu nden. Formular zur
Prolansprache: Abbildung 79.
Merkmale
•
Prolmächtigkeit in [cm]; Referenz (0 cm) ist Oberkante Mineralboden
•
Horizontübergang
•
Bodenart kennzeichnet die Korngröÿenzusammensetzung des mineralischen Feinbodens (<2
mm),
Ton
Schlu
ÖNORM L 1061
T
<
U
0,002 - 0,063
-Feinschlu
Fu
0,002 - 0,0063
-Mittelschlu
Mu
0,0063 - 0,02
-Grobschlu
Gu
0,02 - 0,063
S
0,063 - 2,0
-Feinsand
Fs
0,063 - 0,2
-Mittelsand
Ms
0,2 - 0,63
-Grobsand
Gs
0,63 - 2,0
Sand
131
0,002
mm
mm
Abbildung 80: Texturdreieck
S
Sand
U
Schlu
L
Lehm
T
Ton
uS
schluger Sand
sU
sandiger Schlu
sL
sandiger Lehm
sT
sandiger Ton
lS
lehmiger Sand
lU
lehmiger Schlu
uL
schluger Lehm
lT
lehmiger Ton
tS
toniger Sand
Übergangsformen zwischen den Hauptgruppen werden mit dem Texturdreieck (Abbildung 80) bezeichnet.
Im Gelände wird die Bodenart mit der Fingerprobe festgestellt, wobei zuerst die Bodenprobe annähernd in den Zustand der Flieÿgrenze gebracht
wird (Probe glänzt, beim Drücken werden Finger leicht feucht, es erfolgt
aber kein Wasseraustritt). Dann wird die Bodenprobe zwischen den Fingern auf folgende Eigenschaften geprüft (vgl. Tab. 19):
Sichtbarkeit und Fühlbarkeit von Einzelkörnern
Rauheit beim Reiben
Formbarkeit
Wiederholbarkeit der Verformung
Haften in den Hautrillen
Klebrigkeit
Durchführung der Fingerprobe:
Grobskelett absondern
Richtig anfeuchten mit Wasser (Plastikasche)
Mit dem Messer gut mischen
Reiben zwischen Daumen und Zeigenger
Rollen zwischen Daumen und Zeigenger
Formen mit Daumen und Zeigenger
Grobe Bestandteile müssen vor der Fingerprobe entfernt werden. Bei einiger Übung kann die Bodenart im Gelände mit der Fingerprobe ausreichend
genau ermittelt werden.
133
Schwereklasse
Sichtbarkeit
der
Einzelkörner
Fühlbarkeit
der
Einzelkörner
S
I
Xxx
xxx
Xxx
uS
I
Xxx
xx
xx
Bodenart
Rauhheit
beim
Reiben
Wiederholbarkeit
der
Verformung
Haften
in den
Hautrillen
-
-
-
-
-
-
-
-
Formbarkeit
Klebrigkeit
Schlu
glitzert;
Material
fühlt sich mehlig an
lS
II
xx
xx
xx
x
x
x
-
reisst und bricht bei Verformung
tS
III
x
xx
x
x
x
xx
x
schwach plastisch
sU
II
x
x
x
x
x
x
-
Schlu glänzt seidig; Material
fühlt
sich
samtig-
mehlig an
U
II
-
-
-
x
x
xx
-
Schlu glänzt stark seidig;
Material fühlt sich samtigmehlig an
lU
III
-
-
-
x
x
xx
-
Schlu glänzt seidig; Material
fühlt
sich
samtig-
mehlig an
sL
III
x
xx
x
xx
xx
xx
x
leises aber hörbares Knirschen
beim
Kneten,
et-
wa bleistiftdick ausrollbar,
wird dann brüchig
L
IV
x
x
-
xxxx
xxx
xx
xx
leises, aber hörbares Knirschen
beim
Kneten;
so
plastisch, daÿ sich kleine
Püppchen mit Armen u.
Beinen formen lassen; läÿt
sich nicht zu einer langen,
dünnen Schnur ausrollen
uL
IV
x
-
-
xxx
xx
xxx
xx
sT
IV
x
x
x
xxx
xx
xx
xx
gut ausrollbar
zähplastisch, gut ausrollbar
lT
V
-
-
-
xxxx
xxx
xxx
xxx
schwach glänzende Reibstellen, läÿt sich zu einer
langen,
dünnen
Schnur
ausrollen
T
V
-
-
-
xxxx
xxxx
xxxx
xxxx
glänzende
Reibstellen;
läÿt
sich
zu
gen,
dünnen,
einer
Schnur ausrollen
134
lan-
biegsamen
Tabelle 30: Korngröÿengruppen des Grobbodens (Bodenskelett,Durchmesser
>2 mm).
Korngröÿe [mm]
Form der groben Gemengeteile
eckig-kantig
abgerundet
Grus
Gr
Kies
Ki
2,0 - 63,0
Feingrus
Fgr
Feinkies
Fki
2,0 - 6,3
Mittelgrus
Mgr
Mittelkies
Mki
6,3 - 20,0
Grobgrus
Ggr
Grobkies
Gki
20,0 - 63,0
Steine
St
Schotter
Sch
63,0 - 200
Blöcke
Bl
Blöcke
B
gröÿer 200
•
SKELETTGEHALT (GROBANTEIL) Der Grobanteil des Bodens wird
am Prol mit Hilfe der Tafel Flächenanteile geschätzt (durch Ermittlung von Mittelwerten aus Stirnäche und Seitenächen) und in folgenden
Klassen angegeben:
Beurteilung
Symbol
% vom Bodenvolumen
Geringer Grobanteil
1
0 - 10
Mäÿiger Grobanteil
2
10 - 20
Hoher Grobanteil
3
20 - 40
Sehr hoher Grobanteil
4
40 - 80
Vorwiegend Grobanteil
5
über 80
Diese Schätzung ist schwierig, da die Steine oft durch einen Feinbodenüberzug unkenntlich sind. Es wird daher empfohlen, den Anteil des Grobbodens am Gesamtboden auch in Gewichtsprozenten anzugeben.
Weiters wird die überwiegende Art (Korngröÿengruppe) des Bodenskelettes nach untenstehender Tab. angegeben. Besteht das Bodenskelett aus 2
deutlich verschiedenen Komponenten, können diese auch getrennt in den
hierfür vorgesehenen Spalten angegeben werden. Auÿerdem ist anzugeben,
ob das Gestein angewittert ist oder eine bestimmte Einregelung vorhanden
ist.
•
Bodenfarbe (siehe Kapitel 5.5)
•
Fleckung Konkretionen (Abbildung 81)
1. Kontrast: d . . . deutlich / u . . . undeutlich = Flecken können nur mehr
am Bruchstück beschrieben werden.
2. Häugkeit: 1 . . . einzelne = kleiner 5 % der Fläche / 2 . . . mehrere =
5 - 20 % der Fläche / 3 . . . viele = gröÿer 20 % der Fläche
3. Art: B . . . Bleichecken / R . . . Rostecken / H . . . Humusecken
/
M
. . . Manganecken
/
V
. . . Verwitterungsecken
/
Re
. . . Reduktionsecken
•
Karbonate: Die Prüfung auf Karbonate erfolgt im Gelände mit 10prozentiger Salzsäure. Es wird nur festgestellt, ob der Feinboden nach
Anträufeln mit 10%iger HCl reagiert und daher kalkhältig ist oder nicht.
Kalkstein und Fällungskalk brausen stark und rasch, Dolomit dagegen
schwach und verzögert.
135
Abbildung 81: Flächenanteile
136
Tabelle 31: Beurteilung der Duchwurzelungsintensität (nach AG BODEN, 1994)
Bezeichnung
•
dm
2
Symbol
Feinwurzel
Nicht durchwurzelt
W0
keine Feinwurzel feststellbar
Schwach . . .
W1
1 - 5
Mittel
W2
6 - 10
Stark
W3
11 - 20
sehr stark durchwurzelt
W4
21 - 50
Wurzellz
W5
gröÿer 50
Gefüge = Bodenstruktur (siehe Kapitel 5.2) Beurteilung der Struktur
Die Beurteilung erfolgt nach:
ohne Aggregaten o . . . ohne Aggregatstruktur; d.h. keine Aggregate erkennbar, der Boden ist aber auch nicht als lose oder massiv
zu bezeichnen; ol . . . loser Boden; Einzelkornstruktur; om . . . massiv;
Massiv- oder Kohärentstruktur
mit Aggregaten:
mit Aggregaten
∗
Deutlichkeit der Aggregatbildung: d . . . deutliche Aggregatausbildung; u . . . undeutliche Aggregatausbildung
∗
Form
der
Aggregate
pl
. . . plattig;
prs
. . . prismatisch-
scharfkantig (prismatisch); prr . . . prismatisch-kantengerundet
(kolumnar);
bls
. . . blockig-scharfkantig
(polyedrisch);
blr
. . . blockig-kantengerundet (subpolyedrisch); kö . . . körnig körnig
(granular); kr . . . krümelig;
∗
Form
der
Bodenfragmente
bro
. . . Bröckel;
klu
. . . Klumpen
(Schollen)
Zur Beurteilung der Struktur wird mit dem Messer ein groÿes Bruchstück
aus dem Horizont gelöst und dieses in der Hand einem nicht zu starken
Druck ausgesetzt. Eine zusätzliche Möglichkeit, die Bodenstrukturansprache zu erleichtern, ist die Abwurfprobe. Dazu sticht man mit dem Spaten
einen ca. 15
cm
dicken und 30
und läÿt diesen aus ca. 1
m
cm
tiefen Bodenziegel aus der Prolwand
Höhe am Boden aufprallen. Dadurch lösen
sich Strukturkörper voneinander und werden deutlich sichtbar. Obwohl
die Struktur eines Bodens ein charakteristisches Merkmal darstellt, kann
sie unter dem Einuÿ wechselnder Bodenfeuchte verändert werden.
•
Porosität: Der Anteil der mit freiem Auge (makroskopisch) sichtbaren Poren wird nach Abb. 82 beurteilt. Spalten, Risse und Klüfte werden nach
ihrer Gröÿe beschrieben.
•
Durchwurzelung Es wird die Anzahl an Feinwurzeln (Wurzeldurchmesser
<
2
mm) dm2
angegeben. Die Bestimmung erfolgt in den einzelnen Hori-
zonten an der leicht aufgerauhten Prolwand (Tabelle 31).
Unregelmäÿige Durchwurzelung, Spaltendurchwurzelung, Vorhandensein
und Verteilung von Grobwurzeln (Symbol: G) können zusätzlich angegeben werden.
137
Abbildung 82: Bodenporen
Tabelle 32: Beurteilung der Regenwurmtätigkeit
•
2
Anzahl der Gänge/dm
Bezeichnung
Symbol
keine Regenwurmtätigkeit
R0
-
geringe Regenwurmtätigkeit
R1
kleiner 2
mäÿige Regenwurmtätigkeit
R2
2 - 5
starke Regenwurmtätigkeit
R3
gröÿer 5
Regenwurmtätigkeit bzw biologische Durchmischung Hier sollen v.a. Angaben über die Tätigkeit der Regenwürmer gemacht werden, aber auch
Aktivitäten von Kleinsäugetieren (Wühlmaus, Maulwurf, Ziesel, Hamster)
sollen angegeben werden. Die Regenwurmtätigkeit ist nach der Anzahl an
Regenwurmgängen wie folgt zu beurteilen:
•
HUMUS Der Humus wird bei landwirtschaftlich genutzten Böden nach
der Menge (Gehalt) und der Humusform beurteilt. Die Gehaltsskala ist in
Tabelle 33 gegeben.
Die organische Substanz ist ein wichtiger Indikator für die Beurteilung
des forstlichen Standortszustandes, ebenso können Standortsveränderungen gut über die Humusdynamik erfaÿt werden. Wichtig hierfür ist eine
genaue Beschreibung des Humus. Sie erfolgt auf Grund von Merkmalen,
die mit freiem Auge und mit dem Tastsinn wahrgenommen werden können.
Tabelle 33: Beurteilung des Humusgehaltes.
Bezeichnung
Symbol
Niedrig
h 1
Organische Substanz (%)
unter 1,5
Mittel
h 2
1,5 - 4,0
Hoch
h 3
über 4,0
138
Humus kann als
Auagehumus
dem Mineralboden auiegen oder als Mi-
neralbodenhumus im Mineralboden verteilt sein. Mittels eines senkrechten Prolschnittes wird eine Untergliederung des Humuskörpers in Humushorizonte vorgenommen. Eine ausführliche Beschreibung der Humushorizonte von Waldböden siehe Kapitel 4. Aus der Gesamtheit der humosen
Oberbodenhorizonte kann für die Beurteilung der Umsetzungsdynamik eine Einteilung in Humusformen vorgenommen werden.
Für die genaue Ansprache wird das Humusprol vorsichtig Lage für Lage
ächenhaft abpräpariert. Daneben ist es zu empfehlen, das Prol an einem
ausgestochenen Block zu untersuchen, vor allem für die Beurteilung der
Lagerung. Zusätzlich sollte ein kleinräumiger Wechsel der Humusformen
in der Probeäche angegeben werden.
17 Die Prüfung
Das vorliegende Skriptum ist nicht ausreichend als Vorbereitungsunterlage für
die Prüfung. Ein ausführliches Lehrbuch bzw. sogar das Standardwerk im deutschen Sprachrahm ist das Lehrbuch von ScheerSchachtschabel (Blume et al.,
2002).
Viele Graken aus der Sammlung der Powerpoint-Präsentationen sind
dem
Scheer-Schachtschabel
entnommen.
Die
Graken,
die
in
den
pdf-
Präsentationen gezeigt werden, scheinen auch im Skriptum auf.
Weiterführende Literatur:
Hirt - Bodenkunde in Stichworten: jede Abbildung in diesem Buch stellt
einen grossen Überblick dar
Die Prüfung ist schriftlich. Es gibt ca 25 Fragen, die unterschiedliches Gewicht haben. Die richtige Beschreibung eines abgebildeten Bodenprols gemeinsam mit Angaben zur Entstehung des Bodens macht ca. 25% der Punkte aus.
60% der erreichbaren Punkte sind für 'genügend' erforderlich.
An- Abmelden im BLIS ist erforderlich.
Mitzubringen: (Studenten-)Ausweis. Es werden Stichproben gemacht.
Hinweis: Falls bei der Korrektur der Verdacht entsteht, dass abgeschrieben
wurde, wird die Prüfung nicht gewertet.
18 Ausblick
Andere LVs an der BOKU
Bodenbiologie (Sophie Zechmeister-Boltenstern) Chemie des Bodenwassers
(Robert Jandl) Kartierungsübungen (Klaus Katzensteiner)
139
Tabelle 34: Mustergültige Ansprache eines Bodenprols
Lage
Burgenland, BFI: Burgenland Nord
BMN-Koordinaten
Hochwert 267000, Rechtswert 056500
ÖK 1:50.000
Nr 107
Wuchsraum
Mittelburgenländ. Bergland
Höhenstufe
kollin-planar
Meereshöhe
330 m
Exposition
eben
Hangneigung
0%
Geländeform
Ebene
Erstreckung des Reliefteils in m
horizontal 100, vertikal 1000 m
Kleinrelief
Graben
Grundgestein
lt. geolog. Karte: Bachkolluvien (Miozän - Sarmat)
Grundgestein lt. Geländebefund
Au-Sediment
Wasserhaushalt
Grundwasser
Grundwasserstand
ab 80 cm
Wasserhaushaltsstufe
sehr frisch
Gründigkeit des Bodens
über 120 cm
Vegetationstyp
Schattenkräutertyp
Begrünungsgrad
0-5%
Bodentyp
Grundwassergley
Humusform
Mull
Ol
2,0-1,0
Fichtenstreu,
locker,
nicht
durchwurzelt,
nicht
schmierig
Of
1,0-0,5
Fichtenstreu, verklebt, schwach durchwurzelt, nicht
schmierig
Oh
0,5-0
Ap
0
-40
kompakt, stark durchwurzelt, nicht schmierig
lehmiger Ton, Farbe: 10YR4/3, karbonatfrei, stark
durchwurzelt
Go
40 -80
lehmiger Ton, Farbe: 10YR5/3, viele deutliche Rostecken, mehrere deutliche Bleichecken, karbonatfrei, nicht durchwurzelt
Gr
-80+
Ton, Farbe: 5YR4/1, einzelne deutliche Rostecken,
einzelne deutliche Bleichecken, karbonatfrei, nicht
durchwurzelt
Tabelle 35: Beispiel einer Standorts- und Bodenbeschreibung
140
19 Institutionen und Internet Resourcen für Bodenkundler - Trost & Rat
•
Bildarchiv Boden
•
Bodenwelten
•
eBod:
http://www.bildarchiv-boden.de/
http://www.bodenwelten.de/bodenframe.htm
Ergebnisse
bodenkarte.at
•
Rocky
der
Österreichischen
Bodenkartierung;
http://
http://www.geologie.ac.at/RockyAustria/rocky_
Austria
austria.htm
http://www.geo.unizh.ch/bodenkunde/allgemein/
indexVorlesung.html
•
Bodengeographie
•
Die
Böden
Europas
(Landkarte);
vgl.
Abbildung
http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/
the-major-soil-types-of-europe/
•
69;
Die Landnutzung in Europa 'Land use and land cover survey tool with
ground-level pictures' (LUCAS); http://www.eea.europa.eu/themes/
landuse/interactive/clc-lucas; CORINE Landcover (http://www.
eea.europa.eu/publications/COR0-landcover).
•
Datensammlungen des Joint Research Center, Ispra (JRC);
eusoils.jrc.ec.europa.eu
•
Verzerrte
en
wie
Darstellungen
der
Welt;
Resourcen-Verfügbarkeit,
//www.worldmapper.org/
•
FAO Natural Resources;
Verzerrung
http://
nach
Resourcen-Verbrauch:
Kriteri-
http:
http://www.fao.org/nr/nr-home/en/
Die Europäische Umweltagentur (EEA) sammelt raumbezogene Daten der
Mitgliedsländer.
•
(http://www.eea.europa.eu/themes/landuse/
interactive/clc-lucas)
Bodenkarte
Das Umweltbundesamt (www.umweltbundesamt.at) betreibt die Bodendatenbank BORIS (Schwarz et al., 1994). Darin sind österreichische Bodendaten,
die bestimmten Qualitätsstandards entsprechen, enthalten. Die Nutzungsbedingungen sind deniert und am UBA zu erfragen.
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Index
Auagehumus, 5
Parabraunerde, 15, 87
Podsol, 15, 86, 87, 109
Basensättigung, 22
Pseudogley, 15, 109, 115
Basische Kationen, 13, 16, 17, 22, 28,
Ranker, 115
68
Rendzina, 15, 17, 8587, 115
Bindung, 22
Schwarzerde, 86
Biogeochemie, 88
Stagnogley, 87
Bodenatmung, 16, 28, 44, 61, 84, 96
Bodenwasser, 7
Bodenbearbeitung, 8, 33
Bodenbildung
C:N-Verhältnis, 69, 71, 73
Podsolierung, 71, 86
Verbraunung, 8588, 110
Denition Boden, 7
Verlehmung, 85, 87
Disziplinen der Bodenkunde, 6
Bodenbiologie
Bakterien, 26, 28, 35, 46, 47, 56,
60, 62, 103
Erosion, 8
Gesetz, 12
Biolm, 47
Mykorrhiza, 5053, 61, 80
Pilze, 26, 28, 35, 46, 48, 50, 52, 53,
55, 56, 62, 78, 80, 111, 116
Karbonate, 13, 17
Kationenaustausch, 67, 68
Basensättigung, 68
Regenwurm, 36, 48, 50, 131
Kationenaustauschkapazität,
Bodenfarbe, 44
68,
71
Bodenfunktionen, 7, 8
Bodengefüge, 35, 36, 44, 80, 110, 111,
128
Kohlensto, 71, 73
Lagerundsdichte, 81
Krümelgefüge, 36, 54
Lagerungsdichte, 72
Bodenkarte
Landnutzung, 8, 28, 98
ebod Österreich, 119
Europa, 115, 134
Nährstobindung, 62, 70, 85, 88
Waldböden Österreich, 115
Nährstoe, 6668, 70, 72, 80, 84
Welt, 115
Kalium, 66, 120
Welt (FAO), 134
Kalzium, 120
Bodenluft, 7, 44, 45, 85
Magnesium, 120
Bodenporen, 78, 80, 84
Phosphor, 66
Bodentextur, 33, 34, 38, 40, 71, 72, 78,
125
Körnung, 44
Sticksto, 66, 101
Nährstokreislauf, 26
Nahrungskette, 5557, 60
Sand, 40, 41, 43, 71
Schlu, 34, 40, 68, 109
Organische Substanz, 16, 26, 33
Auagehumus, 26, 29, 50, 54, 57,
Ton, 40, 65, 68, 72, 85, 109, 112
69, 71, 107109, 131
Bodentyp
Auboden, 115
Chemische Struktur, 30
Braunerde, 15, 8587
Funktionelle Gruppen, 30, 62
Mineralboden, 26, 28, 131
Gley, 15, 109, 115
Kalksteinbraunlehm, 17, 86, 87
Moorboden, 115
Paläoboden, 15
Oxide, 24
pH Wert des Bodens, 62
148
pH Wert des Bodens, 14, 54, 62, 6669,
71, 72, 86, 87, 103
Puerung, 7, 64, 71
Puerbereiche, 64
Reduktion/Oxidation, 70, 87
Rhizosphäre, 48, 61, 96
Silikate, 7, 13, 15, 18, 19
Soil Thematic Strategy, 5, 13
Sticksto, 13, 73
Stotransport, 88
Diusion, 88
Konvektion, 88
Massenuss, 88
Systematik, 5, 16
Tonminerale, 7, 15, 17, 19, 22, 24
Dreischicht-Tonminerale, 22
Isomorpher Ersatz, 22, 24
Permanente
negative
Schichtla-
dung, 62
Zweischicht-Tonminerale, 22
Treibhausgas, 16
Umweltkontrollbericht, 8
Verbraunung, 7
Verlehmung, 7
Verwitterung, 14
chemisch, 1417, 19
physikalisch, 14
Wasserhaushalt, 17, 34, 36, 38, 51, 78
Wasserpotential, 39, 40
Feldkapazität, 40
Gravitationspotential, 39
Matrixpotential, 39, 44
Permanenter Welkepunkt, 40
pF-Wert, 40
149
AT X 2ε last modif: 28. April 2011
bodkurja.tex typeset with L
E
150