4. Bodenchemische Eigenschaften - forstliches

4. Bodenchemische Eigenschaften
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Aufbau der Minerale
Böden als Kationenaustauscher
- Eigenschaften der Austauscher
- Austauschkapazität
- Basensättigung
Bodenreaktion
- pH-Wert
- Versauerung von Böden
- Böden als Puffersysteme
Bodenhumus
- Prozesse der Zersetzung
- Eigenschaften der Huminstoffe
Aufbau der Minerale
Einteilung der Mineralien in acht Klassen
I. Elemente
z.B. Eisen, Kupfer, Gold, Silber, Schwefel, Graphit
II. Sulfide
Schwefelverbindungen; z.B. Pyrit (FeS2), Bleiglanz (PbS),
Zinkblende (ZnS)
III. Halogenide
Verbindungen mit Chlor und Fluor; z.B. Steinsalz (NaCl),
Flussspat (CaF2)
IV. Oxide, Hydroxide
z.B. Hämatit (Fe2O3), Goethit (FeOOH), Manganit (MnOOH),
Korund (Al2O3)
V. Carbonate
Verbindungen mit CO32-; z.B. Calcit = Kalk (CaCO3), Dolomit
CaMg(CO3)2, Siderit (FeCO3), Magnesit (MgCO3)
VI. Sulfate
Verbindungen mit SO42-; z.B. Anhydrit (CaSO4), Gips
(CaSO4*2H2O), Baryt (BaSO4)
VII. Phosphate
Verbindungen mit PO43-; z.B. Vivianit (Fe3[PO4]2 · 8 H2O; Apatit
Ca5O[PO4]3OH
VIII. Silikate
Aufbau aus [SiO4]4--Tetraedern, die in Kristallgittern
verschiedenartig angeordnet sind und durch geeignete
Kationen (Al3+, K+, Mg2+, ...) untereinander zusammengehalten werden  Insel-, Ring-, Schicht-, Gerüstsilikate
„Feldspat, Quarz und Glimmer,
die vergess ich nimmer“
O2-
Silikate sind die bedeutendste Gruppe der
gesteinsbildenden Minerale: sie stellen ca. 1/3
aller Minerale und sind mit > 80 % am Aufbau
der Erdkruste beteiligt.
Hinsichtlich der Entstehung sind zu
unterscheiden:
Zentral-Ion
z.T. durch Al3+
ersetzt
O2-
Si4+
Primäre Silikate
durch magmatische Prozesse
entstanden (Feldspäte, Glimmer, ...)
Sekundäre Silikate
im Zuge der Pedogenese durch
Verwitterung der primären Silikate und
Umwandlung der Verwitterungsprodukte
neu entstanden ( Tonminerale)
O2-
O2-
[SiO4]4-Tetraeder
Teilweiser Ersatz des Zentral-Ions Si4+
(Grundbaustein
durch Al3+ (= „Isomorpher Ersatz“)
führt zu negativem Ladungsüberschuss
 Kompensation erfolgt durch die zusätzlich Einbindung von
Kationen (z.B. K+, Na+, Ca2+) in die Kristallgitter der Silikate
der Silikate)
1 Inselsilikate
Selbständige inselartige Tetraeder durch Kationen
(Mg2+, Al3+, Fe2+) verbunden
2 Gruppensilikate
Immer zwei Tetraeder über eine gemeinsame Ecke
verbunden
3 Ringsilikate
Mehrere Tetraeder bilden gemeinsame Dreier-,
Vierer- oder Sechserringe
4 Kettensilikate
Die über ein gemeinsames O2- -Anion verbundenen Tetraeder bilden eine unendliche Kette; im
Kristallgitter sind parallele Ketten durch Kationen
verbunden
5 Bandsilikate
Symmetrische Vereinigung zweier Ketten zu Doppelketten oder Bändern
6 Schichtsilikate
Vierer- und Sechserringe bilden zweidimensionale
ebene Vernetzungen; Si4+ dabei häufig durch Al3+
ersetzt; die Ebenen sind durch Kationenschichten
miteinander verbunden (Bsp.: Tonminerale)
7 Gerüstsilikate
Jeder Tetraeder über alle seine O2- -Anionen mit
Nachbar-Tetraedern vernetzt ( Feldspäte)
Gliederungsschema der Silikate
(Hintermaier-Erhard & Zech, 1997)
Kalifeldspat
Muskovit
Hornblende
Biotit
Olivin
Augit
Olivin (Mg,Fe)2SiO4
Oliv-grünes Inselsilikat /
Vorkommen v.a. in basischen
Magmatiten (Basalt) / leicht
verwitterbar, dadurch
wichtiger Mg-Lieferant
Pyroxene (z.B. Augit)
und Amphibole (z.B.
Hornblende)
(Ca,Mg,Fe,Al,Ti)2(SiAl)2O6 bzw.
Ca2(Mg,Fe,Al)5(S,Al)8O22(OH)2
grünlich schwarz bis schwarz
gefärbte Ketten- bzw.
Bändersilikate /häufiges
Vorkommen in basischen
Magmatiten (Basalt) /
Ladungsausgleich v.a. durch
eingebaute Ca2+-, Mg2+- und
Fe2+-Ionen
Glimmer
z.B. Muskovit (hell)
und Biotit (dunkel)
Schichtsilikate mit
Blättchenstruktur /häufig in
sauren Magmatiten und
Metamorphiten (Granit,
Gneis) / ¼ der Si4+ -ZentralIonen durch Al3+ ersetzt 
Ladungsausgleich durch
Einbindung einer Schicht aus
K+-Ionen zwischen den
Tetraederschichten / v.a. KFreisetzung bei der
Verwitterung (wichtiger KLieferant)
Feldspäte
z.B. Kalifeldspat*), Natronfeldspat und Kalkfeldspat**)
KAlSi3O8, NaAlSi3O8 bzw.
CaAl2Si2O8
Gerüstsilikate / häufig in
sauren Magmatiten und
Metamorphiten (Granit,
Gneis) / ¼ bzw. ½ der Si4+ ZentralIonen durch Al3+
ersetzt  Ladungsausgleich
durch Einbindung von K+, Na+
bzw. Ca2+
Kalifeldspat = Orthoklas
**) Kalk-Natron-Feldspat = Plagioklas
*)
Tonmineralneubildung
Primäre
Minerale
durch „Säureangriff“ allmähliches Herauslösen von Ionen aus dem
Kristallgitter (Hydrolyse); zunächst Na+, K+, Ca2+ und Mg2+ schließlich
auch Al3+ und Si4+ (Desilifizierung); Mineralumbildung und teilweise
Neugruppierung der Zerfallsprodukte führen zur Synthese neuer Minerale
Glimmer
Illit
-K
= Schichtsilikate
-K
Vermiculit
Smectit
-Na
-Si
-K
-Mg
-Si
-Si
-Mg
-Na
-Ca
Feldspäte
= Gerüstsilikate
Sekundäre
Chlorite
-Ca
Kaolinit
-K
Sekundäre
Minerale
Zerfallsprodukte
(Al, OH, Si)
Aluminium(hydr)oxide
-Si
Kaolinit
-K
+K
+Ca
+Mg
Illit
Smectit
Eigenschaften der Tonminerale
• Blättchengröße i.a. < 2µm (0,002mm)  Tonfraktion, Bodenkolloide
• sekundäre Schichtsilikate (Aufbau ähnlich wie Glimmer)
• hohe spezifische äußere und teilweise innere Oberfläche infolge
aufweitbarer Schichten
• Fähigkeit zur Quellung (Einlagerung von Wassermolekülen)
• negativer Gesamtladungsüberschuss  Fähigkeit zur Adsorption von Kationen
an der inneren und äußeren Oberfläche (vgl. Kationenaustausch)
+
+
+
+
+
+
- - - - - - -
+
+
+
+
+
+
+
+
+ ++ + +
+ +
++
+ + + + + + + + ++ + + +
+ +
+
+
+
+
+
+ + + + +
+
+
+
Bruchfläche
Böden als
Kationenaustauscher
Tonminerale als Kationenaustauscher
- Bedeutung für die Pflanzenernährung
Ca2+
K+
Mg2+
K+ Ca2+
Ca2+ H+
Ca2+
H+
K+
2+
Mn 2+ H+
H+
Mg
H+ Ca2+
2+
+
Mg2+
Mn
H
H+ Ca2+ H+
Ca2+
K+ + H+
K+
H
Abgabe organischer Säuren
K+
+
2+
H
+
Ca 2+
H
2+
Ca
Ca
K+
H+ H+
+
K
+
+
H+
H
K
Mn2+
Aufnahme von Nährstoffkationen
Mg2+ +
Mg2+
K
Ca2+
Ca2+
Ca2+K+ Mg2+
Mg2+ +
K Ca2+ Ca2+
Ca2+ K+
-
- - - - - -- - -
Kationenbindung an organischer Bodensubstanz
H+
K+
H+
Al3+
H+
H+
Hydroxylgruppe
H+
H+
K+
Fe2+
H+
OH
Ca2+
H+
H+
H+
Carboxylgruppe
Ca2+
COOH
H+
H+
K+
H+
K
Ca2+
K+
O
Mg2+
H+
K+
Na
H+
Mg2+
Mg2+
H+
COO
H+
chemische Struktur einer Huminsäure
pH-Wert der Bodenlösung niedrig
große Mengen an H+ -Ionen (Protonen)
in der Bodenlösung; Carboxyl- und
Hydroxyl-Gruppen der Huminstoffe
protoniert; kein negativer Ladungsüberschuss
Mg2+
COO
H+
COOH
H+
Ca2+
Mg2+
Ca2+
K
Mn2+
pH-Wert der Bodenlösung hoch
nur wenige Protonen in der Bodenlösung;
verstärkt Abspaltung der H+ -Ionen von
den Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen;
dadurch negative Ladung der Huminstoffe
 Kompensation durch Kationenbindung
Kationenaustauschkapazität von Böden
KAT I O N E NAU S TAU S C H KAPAZ I T Ä T
Menge und Art der
Tonminerale sowie der
Oxide und Hydroxide
Menge und Art der
Huminstoffe und der pHWert in der Bodenlösung
bestimmen
die permanente
negative Ladung
die variable
negative Ladung
der
Bodenkolloide
(Teilchen < 2 µm)
KAT I O N E NAU S TAU S C H KAPAZ I T Ä T
KAKeff
Effektive Kationenaustauschkapazität beim tatsächlichen (aktuellen) pH-Wert des
Bodens.
KAKpot
Potenzielle Kationenaustauschkapazität bei pH = 7.0; d.h. die gesamte Variable Ladung ist
nicht protoniert und steht für den Kationenaustausch zur Verfügung.
In Waldböden gilt i.A.: KAKeff < KAKpot
Maßeinheit der Kationenaustauschkapazität
Die Kationenaustauschkapazität wird in Ionenäquivalenten (IÄ) angegeben.
Die gebräuchliche Einheit ist: cmolc / kg Boden oder mmolc / kg
1 molc [g] = relative Atommasse / Wertigkeit
Def.: Masse eines Atoms in Relation zur Masse des C-Atoms,
welches per Definition die rel. Atommasse = 12 erhält.
Beispiele: rel. Atommasse von H = 1; O = 16, C = 12, Ca = 40,
N = 14, usw. (vgl. Angaben im Periodensysteme)
Def.: Anzahl der Bindungen, die ein Atom zu
anderen Atomen ausbilden kann. Beispiele: H ist
einwertig, O ist zweiwertig usw.; abhängig von der
Zahl der Valenzelektronen (vgl. Periodensystem)
Bsp.: Die KAKeff eines Bodenhorizontes sei 4 cmolc / kg Boden.
Welche Na-Menge (Ca-Menge, Al-Menge) könnte adsorbiert werden ?
4 cmolc = 0,04 molc
0,04 molc Na+ / kg Boden = 0,04 * 23 g / 1 = 0,92 g Na+ / kg Boden
rel. Atommasse
Wertigkeit
analog:
0,04 molc Ca2+ / kg Boden  0,04 * 40 g / 2 = 0,80 g Ca2+ / kg Boden
0,04 molc Al3+ / kg Boden  0,04 * 27 g / 3 = 0,36 g Al3+ / kg Boden
IA
0
A. Hauptgruppenelemente
1,01
H
1. Periode
1
IIA
6,94
3. Periode
9,01
Li
2. Periode
10,81
Be
IVA
VA
12,01
B
VIA
14,01
C
VIIA
16,00
N
19,00
O
F
2
He
20,18
Ne
3
4
5
6
7
8
9
10
22,98
24,31
26,98
28,09
30,97
32,07
35,45
39,95
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
11
12
13
14
15
16
17
18
39,10
40,08
69,72
72,61
74,92
78,96
79,90
83,80
K
4. Periode
Ca
Ga
20
19
.
.
.
IIIA
4,00
31
Ge
As
32
Se
33
Br
34
35
Kr
36
B. Übergangsmetalle
IIIB
Sc
21
IVB
Ti
22
VB
V
23
VIB
VIIIB
VIIB
Cr
Mn
24
25
Fe
26
Co
27
IB
Ni
28
Cu
29
IIB
Zn
30
Edelgaskonfiguration
Li
Na
O
S
He
Ne
Ar
KAK von Bodenbestandteilen [mmolc/kg]
Kaolinit
Illit, Glimmer
Smectit
30 – 150
100 – 500
700 – 1500
spezifische Oberfläche
bis zu 1200 m²/g
Vermiculit
Huminstoffe
Metalloxide
1000 – 2000
1500 – 3000
30 – 250
spezifische Oberfläche
ca. 20 m²/g
KAKeff von Bodenhorizonten [mmolc/kg]
podsolige Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung
Aeh - Horizonte
ca. 20 - 36
Bv - Horizonte
ca. 12 - 18
Quelle: LFE
C - Horizonte
ca. 2 - 24
Bewertungsrahmen für die KAKeff in mmolc/kg Boden
sehr
gering
gering
gering mittel
mittel
mittelhoch
hoch
sehr
hoch
A-Horizonte
< 15
15 – 40
40 – 70
70 – 120
120 – 240
240 – 480
> 480
B- und C-Horizonte
< 10
10 – 30
30 –60
60 – 120
120 – 240
240 – 480
> 480
Haftfestigkeit (Eintauschstärke) der Kationen
Abhängig von
1. Wertigkeit
2. Hydratation (Hydrathülle)
Hofmeistersche Reihung:
Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+
3. Konzentration des Kations in der Bodenlösung
4. Neigung zur spezifischen Bindung (z.B. Ca-Selektivität
der organischen Substanz)
zu 2.
Na+
K+
Mg2+
Ca2+
Hydrathülle der Kationen  Kationen umgeben sich mit
Wasser-Dipolen (rot = Ionendurchmesser, blau Hydrathülle)
Bestimmung der austauschbaren Kationen (KAKeff)
I. Verdrängung der adsorbierten
Kationen vom Bodenaustauscher
relativ hohe
Konzentration
Bodenprobe
Na+ Mg2+ K+
H+ Mn2+ Ca2+
Ca2+ Al3+ H+
II. Messung der Kationen in der
Lösung z.B. mittels AAS-Technik
(Atomadsorptionsspektrometrie)
NH4+
NH4+
NH4+
+
NH4
NH4+
NH4+
K+
2+
Ca2+
Mg
H+
Ca2+
H+
3+
2+
Al
Al3+ Mn
Beispiel:
mmolc / kg Boden
Na:
K:
Ca:
Mg:
Al:
Fe:
Mn:
H:
0,02
0,80
13,30
1,20
10,60
0,70
0,20
11,20
KAKeff:
38,02
Kationenbelag („basische“ und saure Kationen)
Bsp.:
podsolige
Braunerde
aus Geschiebesand
LFE
basische Kationen:
saure Kationen:
Hydratation:
Ca2+, Mg2+, K+, Na+
Al3+, Fe2+, Mn2+, H+
[Al(OH2)6]3+  Al(H2O)5OH]2+ + H+
Al3+ -Kation von
Abspaltung eines Protons
sechs Wassermolekülen
(H2O-Dipolen) umgeben (= Hydrathülle)
Basensättigung (BS)
Maßzahl für den prozentualen Anteil der basisch wirkenden Kationen
an der Kationenaustauschkapazität (i.a. KAKeff)
BS = (Ca+Mg+K+Na) / (Ca+Mg+K+Na+Al+Fe+Mn+H) * 100%
= (Ca+Mg+K+Na) / KAKeff * 100%
Den prozentualen Anteil einzelner Kationen an der KAK nennt man z.B.
Ca-Sättigung, Mg-Sättigung, Al-Sättigung usw.
Bewertung der Basensättigung:
BS < 20 %
20 < BS < 50 %
BS > 50 %
basenarm
mittel
basenreich
Basensättigung podsoliger Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung
Aeh - Horizonte
Bv - Horizonte
C - Horizonte
ca. 18 - 37 %
ca. 9 - 20 %
ca. 7 - 75 %
Quelle: LFE
Bodenreaktion
Definitionen
• Bodenreaktion: Vermögen der Bodenfestsubstanz, H+ -Ionen in
die Bodenlösung abzugeben
• Maß für die Bodenreaktion: H+ -Ionenkonzentration in der
Bodenlösung [mol H+ / l]
• Maßzahl: pH-Wert (= negativer dekadischer Logarithmus der H+Ionenkonzentration)
Bsp.: pH = 3  10-3 mol H+ / l  0,001 mol H+ / l
pH = 7  10-7 mol H+ / l  0,0000001 mol H+ / l
• Arten der Bodenazidität (Bodensäure):
- aktuelle Azidität (pH-Wert-Messung in H2O)
- potenzielle Azidität (Messung in KCl oder CaCl2-Lösung);
( Desorption von H+ und Al3+ vom Bodenaustauscher)
[Al(OH2)6]3+  [Al(H2O)5OH]2+ + H+
potenzielle Azidität
Vergleich von pH(KCl)- und pH(H2O)-Werten (BZE-Stichprobe)
aktuelle Azidität
pH-Wert-Messung
pH-Wert in 1 M KCl lt. Handbuch Forstliche Analytik (GFA, 2005)
Geräte und Zubehör
• pH-Messgerät mit pH-Elektrode (Messgenauigkeit +/- 0,01)
• Waage (Messgenauigkeit +/- 0,1 g)
• Becherglas, Pipette, Messlöffel, Rührer
Herstellung der KCl-Lösung
74,55 g (= 1 Mol) KCl werden in einem Messkolben mit H2Odemin auf 1 l aufgefüllt.
Herstellung der Suspension
Die auf 2 mm gesiebte Bodenprobe wird in einem Becherglas mit 1 M KCl-Lösung im
Gewichtsverhältnis Probe:Lösung = 1:2,5 verrührt. Die Mischung muss mindestens 1
Stunde in dem abgedeckten Becherglas stehen und zwischendurch mehrfach mit einem
Glas- oder Kunststoffstab umgerührt werden.
Messung des pH-Wertes
Die Messung des pH-Wertes erfolgt in dem Proben-/Lösungsgemisch mittels eines pHMeters mit Glaselektrode. Für die Kalibrierung der Glaselektrode ist eine 2-Punkt-Eichung
vorgeschrieben.
Vor der Messung wird die Probe nochmals mit dem Stab umgerührt und nach dem
Absetzen der Feststoffe der pH-Wert im wässrigen Überstand gemessen; dabei darf die
Suspension nicht gerührt bzw. die Elektrode nicht bewegt werden.
Warum reagieren unsere Böden sauer ?
Natürliche Ursachen:
• CO2-Produktion durch die Atmung der Bodenorganismen ( H2CO3)
• H+ -Ionenausscheidungen der Pflanzenwurzeln bei der Nährstoffaufnahme
• Humifizierung  Bildung schwacher organischer Säuren
• Auswaschung von basischen Kationen (vgl. Pufferung)
Anthropogene Ursachen:
• Holzernte (= Entnahme von basischen Kationen)
• atmogene Säuredeposition („saurer Regen“)
Verbrennung fossiler Energieträger
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Freisetzung von
SO2 (Schwefeldioxid)
NOx (Stickoxide)
H+
H+
H+
Eine Säure ist eine Substanz, welche die
Wasserstoffionen-Konzentration beim Zugeben zu
einer wässrigen Lösung erhöht
bilden im Niederschlag
Schwefel- und Salpetersäure
H2SO4  2 H+ + SO42HNO3  H+ + NO3-
pH-Werte in Böden
und Niederschlag:
extrem saurer
Nebelniederschlag
stark saure OhAuflagehorizonte
saure mineralische
Oberböden unter Wald
Niederschlag
Mitteleuropa
Grünland- und
Ackerböden
kalkhaltige
Bodenhorizonte
Oberböden in unmittelbarer Straßennähe
Batteriesäure
1,0
Zitronensaft
Coca Cola
2,0
Orangensaft
3,0
Wein
äußerst sauer
Traubensaft
Bier
4,0
Kaffee
5,0
stark sauer
mittel sauer
natürlicher Regen
6,0
reines Wasser
Blut
Bewertung der
Bodenreaktion:
schwach sauer
7,0
schwach alkalisch
8,0
mittel alkalisch
Salzböden (semi-)
arider Klimate
9,0
Seifenwassser
Pufferung
Böden sind in der Lage, der Säurebelastung einen Widerstand
entgegenzusetzen. Verschiedene Substanzen im Boden wirken
als Säurepuffer. Je besser ein Boden gepuffert ist, desto
geringer ist die pH-Abnahme bei gleichem Säureeintrag.
 Im schwach sauren pH-Bereich stellt die Verwitterung von
Carbonatgestein einen sehr wirksamen Säurepuffer dar.
 In kalkfreien Böden wirken die Silikatverwitterung und die
Protonierung von variablen Ladungen (vgl. KAKeff) als
Protonensenke.
 Im stark sauren pH-Bereich kommt es zur Protonenbindung
durch die Auflösung von sekundären Mineralen.
Die pH-Bereiche, innerhalb derer bestimmte Puffersubstanzen
für eine pH-Nivellierung sorgen, werden als Pufferbereiche
bezeichnet. Nach ULRICH et al. (1979) lassen sich fünf
Pufferbereiche unterscheiden, die in relativ abgegrenzten pHBereichen wirksam sind.
Pufferbereiche nach ULRICH et al. (1979)
pH > 6,2
Carbonatpufferbereich
2 CaCO3 + 2H+  Ca(HCO3)2 + Ca2+; allmählicher Verlust von CaCO3 (Entkalkung);
optimale Bedingungen für Bodenorganismen
Silikatpufferbereich
Verwitterung primärer Silikate (Feldspäte, Glimmer); Entstehung sekundärer Minerale
pH 6,2 – 5,0 (Verbraunung, Verlehmung); optimale Nährstoffverfügbarkeit durch Freisetzung
basischer Kationen (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) und deren Adsorption am Bodenaustauscher
Austauscherpufferbereich
Verdrängung austauschbarer basischer Kationen durch saure Kationen (v.a. Al3+ aus
pH 5,0 – 4,2 Silikatresten) und Protonen; durch Auswaschung der basischen Kationen Abnahme der
Basensättigung; Protonierung variabler Ladung (abnehmende KAKeff); beginnende
Verdrängung säureempfindlicher Organismen
pH < 4,2
Al-Pufferbereich
Auflösung von Kristallgittern der sekundären Minerale (Tonmineralzerstörung);
dadurch Freisetzung von noch mehr Al3+ in die Bodenlösung; Austauscherplätze
überwiegend von Al3+ belegt; Basensättigung < 20%; Aluminiumkonzentration in der
Bodenlösung zunehmend toxisch (Wurzelschäden)
pH < 3,0
Fe-Pufferbereich
Pufferung der Protonen durch Auflösung von Eisen(hydr)oxiden; H+- und Fe-Sättigung
am Austauscher steigen stark an; Verlagerung von Sesquioxiden als metallorganische
Komplexe (Podsolierung); stark eingeschränkte bodenbiologische Aktivität
(Rohhumusbildung); säureangepasste Pflanzengesellschaften
Aktuelle Ergebnisse der BZE
Pufferbereiche
Carbonat
Silikat
Austauscher
> 6.2
6.2 – >5.0
5.0 – >4.2
0
Al
Al/Fe
Fe
4.2 – >3.8
3.8 – >3.0
=< 3.0
0
20
Puffer BZE-1
20
Puffer BZE-2
40
Carbonat
40
Carbonat
60
Silikat
60
Silikat
80
Aust.
80
Aust.
100
Al
100
Al
120
Fe/Al
120
Fe/Al
140
Fe
140
Fe
0
25
50
Anteil [%]
75
100
0
25
50
Anteil [%]
75
100
Einschätzung des Säurerisikos
Bewertung
minimal
Kriterien, Folgen
gesamter Wurzelraum im Carbonat- oder Silikat-Pufferbereich
gering
Oberboden (bis 30 cm) im Austauscher-Pufferbereich
Folge: Beeinträchtigung säureintoleranter (kalkholder Arten)
mittel
Oberboden im Aluminium- oder Aluminium / Eisen-Pufferbereich
Unterboden im Silikat- oder Austauscher-Pufferbereich
Folge: Verdrängung säureintoleranter Arten
stark
Ober- und Unterboden im Aluminium / Eisen-Pufferbereich
pH-Wert im Oh-Horizont > 3,0
Folgen: geringe bis sehr geringe Vorräte an austauschbaren basisch
wirkenden Kationen; niedrige Ca- und hohe Al-Gehalte in den
Feinwurzeln; Schäden im Meristem und gehemmtes Längenwachstum
von Feinwurzeln
sehr stark
Ober- und Unterboden im Aluminium- oder
Pufferbereich und pH-Wert im Oh-Horizont < 3,0
Carbonat
Silikat
Austauscher
> 6.2
6.2 – >5.0
5.0 – >4.2
Al
Al/Fe
Fe
Aluminium / Eisen-
4.2 – >3.8
3.8 – >3.0
=< 3.0
pH-Wert und Kationenbelag (schematisch)
Dissoziierbarer
Wasserstoff
75 %
Na+
K+
Mg2+
H+
25 %
permanente Ladung
50 %
Fe2+ Mn2+
Ca2+
Al3+
3
4
5
pH-Wert
6
variable Ladung
Anteil an
der KAKpot
7
Verändert nach: Scheffer & Schachtschabel (1998)
unter Verwendung von Daten aus Wolff & Riek (1997)
Einflussfaktoren auf die Bodenversauerung
• Silikatverwitterungsrate ( Ausgangsgestein)
• Versickerungsrate ( Klima)
• Zeit ( Alter des Bodens)
• atmogene Eintragssituation (Säurebildner, basische Stäube)
• Art / Intensität der forstlichen Nutzung:
Baumart
tiefwurzelnde Laubbäume  „Basenpumpe“
Nadelhölzer  niedrigmolekulare saure Huminstoffe (Fulvosäuren)
Biomassenexport: historische Streunutzung / Waldweide und Ganzbaumernte
führen zu Basenverlust ( Verlust an Pufferkapazität)
Kahlschlag: durch forcierten Humusabbau infolge angeregter Mikroorganismentätigkeit (Einstrahlung  Wärme) wird verstärkt Nitrat (Anion: NO3-) freigesetzt
und zusammen mit daran gebundenen basischen Kationen ausgewaschen
allg. gilt:
WENN Basenverlust > Silikatverwitterungsrate + atm. Baseneintrag,
DANN „Versauerung“ des Systems
Ökologische Bedeutung der Bodenreaktion
hohe pH-Werte
• gute Versorgung mit Ca und Mg
• schlechte Verfügbarkeit von Fe, Mn, Cu, Zn (evtl. K)
• hohe Kationenaustauschkapazität
• hohe biologische Aktivität, günstige Humusform (intakte Stoffkreisläufe)
niedrige pH-Werte
• ungünstiges Bodengefüge
• ungünstige Humusformen (Rohhumus)
• Oberbodenverdichtung durch verringerte Bioturbation
• Beeinträchtigung der Stofftransformationsfunktion von Böden
• Zerstörung von Tonmineralen
• Toxizität durch Al3+ -Ionen (Wurzelschäden)
• zunehmende Mobilität von Schwermetallen (Cu, Zn, Cd, Pb)
• Gefahr der Quell- und Grundwasserkontamination
• evtl. Einschränkung der Biodiversität
Bodenhumus
Bodenhumus
Definition:
Humus (lat.: Erde) = Gesamtheit der organischen Bodensubstanz (o.S.; OBS)
Dies sind alle in und auf dem Boden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen
und tierischen Stoffe sowie deren organische Umwandlungsprodukte. Die
lebende Biomasse (Bodentiere, lebende Wurzeln) zählt nicht dazu.
Auflagehumus
(L-, Of-, Oh-Horizonte)
und
bilden den Humuskörper
Mineralbodenhumus
(z.B. Ah-, Bh-Horizonte)
zu seiner systematischen
Kennzeichnung dient die
Humusform
 vgl. Lehreinheit 2
Nichthuminstoffe (Streustoffe)
z.B. tote Wurzeln, Blätter, Tiere, deren Gewebestrukturen noch erkennbar sind; sie dienen
den Bodenorganismen als Nahrung; daher kurze Verweilzeit im Boden  „Nährhumus“
Huminstoffe
stark umgewandelte organische Stoffe; keine erkennbaren Gewebestrukturen; stark
dunkle Färbung; hohe Verweilzeit im Boden  „Dauerhumus“
Eigenschaften der Huminstoffe
Fulvosäuren
Huminsäuren
Humine
gelb-braune, niedermolekulare,
stark saure, stickstoffarme
Huminstoffe;
geringes Wasserhalte- und IonenAdsorptionsvermögen;
wasserlöslich und deshalb leicht
verlagerbar;
Vorkommen in sauren
nährstoffarmen Böden mit
geringer biologischer Aktivität
(Humusform: Rohhumus)
braune bis schwarze, hochmolekulare, schwach saure,
stickstoffreiche Huminstoffe;
hohes Wasserhalte- und IonenAdsorptionsvermögen;
geringe Mobiliät;
Vorkommen in neutralen bis
schwach sauren nährstoffreichen Böden mit hoher biologischer Aktivität (Humusform:
Mull)
schwarze, hochmolekulare,
schwach saure, kohlenstoffreiche Huminstoffe;
geringes Wasserhalte- und
Ionen-Adsorptionsvermögen;
geringe Mobilität;
entstehen durch Alterung aus
Fulvo- und Huminsäuren;
Vorkommen in allen Böden
C/N-Verhältnis, ein wichtiges analytisches Merkmal der org. Substanz
Verhältnis zwischen organisch gebundenem Kohlenstoff und organisch
gebundenem Stickstoff.
Maß für 1) die Zersetzbarkeit der Streu
Ulme, Erle, Esche, Robinie
Linde, Pappel, Hainbuche
Eiche
Buche
12-25
24-51
40
45
Roteiche
Kiefer
Douglasie
Lärche
53
65
77
77
Mitscherlich (1975)
2) die biologische Aktivität
C/N < 20: N-Bedarf der Mikroorganismen für den Aufbau ihrer Körpersubstanz
gedeckt; deshalb deutliche Freisetzung von organisch gebundenem Stickstoff bei
der Humusumsetzung; Mikroorganismen selbst leicht zersetzbar, da vorwiegend
aus leicht abbaubaren (N-reichen) Stoffen bestehend  MULL
C/N > ca. 25: zunehmende Hemmung des mikrobiellen Substanzabbaus
C/N > ca. 30: mikrobielle Immobilisierung von N durch organische Bindung (vgl.
Inkorporation)  Entstehung von ROHHUMUS durch N-Limitierung
Biologische Stoffumwandlungsprozesse
•
•
•
Humifizierung
Umwandlung organischer Ausgangsstoffe in Huminstoffe  Stoffaufbauprozess
Inkorporation
Einbau in neue (lebende) Biomasse
Mineralisation
vollständiger mikrobieller Abbau der organischen Substanzen zu anorganischen
Stoffen (N, P, S, K, Ca, Mg, CO2, H2O, ...)
 Stoffabbauprozess
Drei Phasen der Zersetzung / Verwesung
•
•
•
Biochemische Initialphase
chemische Reaktionen organismeneigener Stoffe; Autolyseprozesse
Mechanische Zerkleinerung
erfolgt durch Makro- und Mesofauna; intensive Vermischung organischer und
mineralischer Partikel z.B. im Darm des Regenwurms
Mikrobielle Umsetzung
Stoffumsetzung durch Mikroorganismen (Bakterien / Pilze  pH-abhängig);
Überwiegen von Humifizierung / Mineralisierung je nach Ausprägung der
Standortsfaktoren (Bodenfeuchte, Durchlüftung, Temperatur, Bodenreaktion,
N-Verfügbarkeit) sowie Art, Menge und Abbauresistenz der Ausgangsstoffe
!
Beispiel: Gley auf nährstoffreichem Ausgangssubstrat
• produktiver Laubmischbestand  große Mengen anfallender toter Biomasse
• hohe biologische Aktivität  keine Bildung von Auflagehumus (Mull)
• Sauerstoffmangel (Grundwassereinfluss)  geringe Mineralisationsraten
 deshalb hoher Gehalt an Mineralbodenhumus
mit vorwiegend günstigen Huminsäuren
Humuskörper
Bodenlebewesen
0,01 µm
0,1 µm
Bezeichnungen:
Edaphon = Gesamtheit aller lebenden Bodenorganismen
Destruenten = an der Zersetzung beteiligte Organismenarten
1 µm
10 µm
100 µm
1000 µm
1 mm
Ton
Feinporen
Schluff
Mittelporen
10 mm
100 mm
Sand
Grobporen
Mikroflora
Bakterien, Pilze,
Strahlenpilze, Algen
Mikrofauna
Mesofauna
Protozoen (z.B. Amöben, Geißeltierchen, Wimpertierchen),
Nematoden (Fadenwürmer),
u.a.
Milben, Collembolen
(Springschwänze),
Enchyträen (kleine
Borstenwürmer), u.a.
Makrofauna
Lumbriciden (Regenwürmer), Asseln,
Schnecken, Käfer
(v.a. Laufkäferarten), Tausendfüßer u.a.
Ableitung bodenchemischer Kenngrößen aus Geländebefunden
Bodenfarbe (z.B. 10 YR 3/2)
Hauptbodenart (z.B. Sand)
Value
Humusgehalt
Humusgehalt [Gew.-%]
Sande
Schluff, Lehm, Ton
6,5
0 (h0)
0 (h0)
6
0 (h0)
0 (h0)
5,5
0 (h0)
0,2 (h1)
5
0,2 (h1)
0,4 (h1)
4,5
0,3 (h1)
0,7 (h1)
4
0,7 (h1)
1,2 (h2)
3,5
1,2 (h2)
2,2 (h3)
3
2,2 (h3)
4,0 (h3)
2,5
4,5 (h3)
2
> 6,0 (>=h4)
> 5,0 (>=h4)
Achtung: Wenn der Chroma-Wert >= 3,5 ist, wird der Value-Wert um 0,5 erhöht;
wenn der Chroma-Wert >= 6 ist, wird der Value-Wert um 1 erhöht.
7,5 YR 4/6
Ableitung bodenchemischer Kenngrößen aus Geländebefunden
Bewertung des Humusgehaltes:
(h0)
(h1)
(h2)
(h3)
(h4)
(h5)
(h6)
(h7)
kein Humus
sehr schwach humos (< 1%)
schwach humos (1-2 %)
mittel humos (2-5 %)
stark humos (5-10 %)
sehr stark humos (10-15 %)
extrem humos (Anmoor, 15 – 30 % Humus)
Torf (> 30 % Humus)
Schätzung des Kohlenstoffgehalts:
C-Gehalt = Humusgehalt / 1,72
Annahme: organische Bodensubstanz enhält ca. 58 % Kohlenstoff
Ableitung bodenchemischer Kenngrößen aus Geländebefunden
Humusgehalt
Bodenart
KAKpot
Humusgehalt
Bodenart
h0
h1
h2
h3
h4
h5
h6
Ss, Su2
1
2
5
9
17
27
52
Su3, Su4, Sl2
3
4
7
11
19
29
54
Us
4
5
8
12
20
30
55
St2, Sl3, Uu
5
6
9
13
21
31
56
Slu, Sl4, Ut2, Uls
8
9
12
16
24
34
59
Ut3, St3
10
11
14
18
26
36
61
Ls3, Ls4
11
12
15
19
27
37
62
Ls2
12
13
16
20
28
38
63
Ut4
13
14
17
21
29
39
64
Lu, Ts4
14
15
18
22
30
40
65
Lt2
16
17
20
24
32
42
67
Tu4
17
18
21
25
33
43
68
Lts
18
19
22
26
34
44
69
Ts3
19
20
23
27
35
45
70
Tu3
20
21
24
28
36
46
71
Lt3
21
22
25
29
37
47
72
Ts2
17
28
31
35
43
53
78
Tl, Tu2
28
29
32
36
44
54
79
Tt
38
39
42
46
54
64
89
cmolc / kg
<5
5-10
11-20
21-40
41-80
> 80
Bewertung
sehr gering
gering
mässig
mittel
hoch
sehr hoch
Ableitung bodenchemischer Kenngrößen aus Geländebefunden
KAKpot
pH-Wert
Humusgehalt
pH-Wert
> 7.5
6.5 - 7.5
5.5 – 6.5
4.5 – 5.5
3.5 – 4.5
=< 3.5
cmolc / kg
Bewertung
KAKeff
h1
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
h2
0,0
-0,6
-1,2
-1,8
-2,3
-2,6
<5
gering
Humusgehalt
h3
h4
0,0
0,0
-1,4
-3,0
-2,8
-6,0
-4,2
-9,0
-5,3
-11,3
-6,0
-12,8
h5
0,0
-5,0
-10,0
-15,0
-18,8
-21,3
h6
0,0
-10,0
-20,0
-30,0
-37,5
-42,5
5 – 20
20 -50
> 50
mittel
hoch
sehr hoch
Basensättigung
- Abhängigkeit vom pH(KCl)-Wert 100
Basensättigung [%]
90
10-Perzentil
80
70
90-Perzentil
60
Median
50
BZE-Stichprobe
0-10 cm Tiefe
n = 1719
40
30
20
10
0
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
pH-Wert in 0-10 cm Tiefe
6
6,5
7
Ableitung bodenchemischer Kenngrößen aus Geländebefunden
pH-Wert (KCl)
Bodentiefe / Horizont
pH-Wert
BS [%] (1)
BS [%] (2)
>2.5 =<3.0
10 (>5)
10 (>5)
>3.0 –
=<3.5
15
15
Basensättigung
>3.5 –
=<4.0
30
20
>4.0 –
=<4.5
60
30
>4.5 –
=<5.0
90
70
>5.0 –
=<5.5
95
90
> 5.5
100
100
(1): gültig für humose Bodenhorizonte (Oberboden)
(2): gültig für humusfreie bis schwach humose Bodenhorizonte (Unterboden)
Achtung: Die Tabelle gilt für pH(KCl)-Werte. pH(H2O)-Werte müssen deshalb noch
umgerechnet werden.
Näherungsweise gilt im sauren pH-Bereich: pH(KCl) = pH(H2O) - 0,7
Ableitung bodenchemischer Kenngrößen aus Geländebefunden
Berechnung des S-Wertes [molc/m² im Hauptwurzelraum]
aus Basensättigung und KAKeff
S-Wert [cmolc/kg] = BS / 100 x KAKeff [cmolc /kg]
Durch Einbeziehung von Trockenrohdichte, prozentualem Steingehalt und
Horizontmächtigkeit kann der S -Wert für den Hauptwurzelraum berechnet und
auf die Fläche bezogen werden (molc/m²).
S-Wert [cmolc/dm³] = S-Wert [cmolc/kg] x TRD [g/cm³]
S-Wertsteinfrei [cmolc/dm³] = S-Wert [cmolc/dm³] x (1 - Steingehalt / 100)
S-WertHorizont, steinfrei [molc/m²] = S-Wertsteinfrei [cmolc/dm³] x Horizontmächtigkeit [dm]
Die Summe der S-Werte aller Horizonte im Hauptwurzelraum kann al
s
Näherungsmaß der pflanzenverfügbaren Nährstoffe (Ca, Mg, K) verwendet werden.
S-Wert
[Molc/m²]
<3
3 - 10
10 - 50
50 - 100
> 100
Bewertung
sehr
gering
gering
mittel
hoch
sehr hoch
Ableitung bodenchemischer Kenngrößen aus Geländebefunden
Schätzung der Trockenrohdichte bzw. Stufe der effektiven Lagerungsdichte (Ld)
 Nur notwendig, falls keine TRD-Ermittlung mittels Stechzylinderbeprobung
Kriterien
Probe zerbröselt komplett, äußerst
locker, an der Profilwand sind sehr viele
Grobporen sichtbar
Probe zerfällt bereits bei leichtem Druck
in zahlreiche Bruchstücke oder in ihre
Einzelteile. Messer ist mit sehr wenig
Kraft in den Boden zu drücken
Probe zerfällt nur in wenige Bruchstücke,
die von Hand weiter zerteilt werden
können; Messer ist mit wenig Kraft in den
Boden zu drücken
Probe zerfällt nur in sehr wenige große
Bruchstücke, die kaum von Hand weiter
zerteilbar sind (ausser Sande); Messer
ist nur schwer 2 cm in den Boden zu
drücken
Probe zerfällt nicht (ausser Sande);
äußerst fest; Messer nur mit Gewalt in
den Boden zu treiben
TRD (g/cm³)
Code
Bezeichnun
g
S, U
L
T
Ld1
sehr gering
< 1.2
< 1.0
< 0.8
Ld2
gering
1.4
1.2
1.0
Ld3
mäßig dicht
1.6
1.4
1.2
Ld4
dicht
1.7
1.6
1.4
Ld5
sehr dicht
> 1.8
> 1.7
> 1.4

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