2. Bodenbestandteile 2020 PDF

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Die wichtigsten festen Bestandteile des Bodens - Gliederung • Anorganische Komponenten - Minerale und Gesteine – Gesteine – Minerale

• Primäre Silikate • Tonminerale • Oxide und Hydroxide • Carbonate, Sulfate, Sulfide und Phosphate • Organische Substanz

Bodenkunde; M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 1

Die Bodenbestandteile bedingen Farbe, physikalische, chemische, biologische Eigenschaften

Copyright: Eugen Lehle

Bodenkunde; M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 2

Gesteine - Stellung der Böden im Kreislauf der Lithosphäre Diagenese

Biogenes Material Sedimente

Sedimentäre Gest. Ablagerung, Transport

Metamorphose

Böden Metamorphe Gest. Anatexis

Verwitterung, Pedogenese Metamorphose

Magmatische Gesteine

Magma

Kristallisation

Primäres Material Bodenkunde; M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 3

Bodenbildende Gesteine • Die Gesteine sind die verfestigten oder lockeren, natürlichen Bestandteile der festen Erdkruste • Die drei Hauptentstehungsarten sind Magmatismus, Sedimentation und Metamorphose • Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind Chemismus (sauer, intermediär, basisch), Textur und Struktur (Körnigkeit) und der Bildungsort (Plutonit, Vulkanit) • >> unterschiedliches Nährstoffangebot im Boden nach deren Verwitterung

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Feste Bodenbestandteile 4

Granite bei Twyfelfontein, Namibia Photo: M.H. Gerzabek, 2008

Teilweise ist der sogenannte Wüstenlack (Mangan- und Eisenoxide an der erosionsabgewandten Seite) sichtbar.

Feste Bodenbestandteile 5

„Bulls party“, Erongo-Krater, Namibia; Granite durch Zwiebelverwitterung geformt. Foto: M.H. Gerzabek, 1988

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Feste Bodenbestandteile 6

Erongo, sowie Spitzkoppe (rechts) 2017, Photos: M.H. Gerzabek

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Junger Lawastrom am Teide / Teneriffa) „aa Lava“ Photo: M.H. Gerzabek, 2011

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Feste Bodenbestandteile 8

„pahoehoe“ – Lava; Isla Isabella, Galápagos Inseln; Foto: M.H. Gerzabek, 2016

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Feste Bodenbestandteile 9

„AA – Lava“ Isla Isabella, GalapagosArchipel Gerzabek, 2016

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Feste Bodenbestandteile 10

Im Uhrzeigersinn: Sandfraktion von 2 Oberböden am Vulkan Alcedo(Galapagos); links: aus Bimsstein, rechts aus Lava entstanden Rechts unten: Bimsstein 500 fach vergrößert. Bilder: Digitalmikroskop, M.H. Gerzabek, 2018

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Mittlerer Chemismus von Granit und Basalt (nach Scheffer et al., 1998, modifiziert)

SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O

H2O

P2O5

Granit 73,9 0,20 13,8 0,78 1,1 0,05 0,26 0,72 3,5

5,1

Basalt 50,8 2,0

0,82 0,91 0,23

14,1 2,9

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9,0 0,18 6,3

10,4 2,2

0,47 0,14

Feste Bodenbestandteile 12

Sedimente und Sedimentgesteine • Prozessabfolge: Verwitterung, Abtragung, Transport, Ablagerung – Sedimente aus mechanisch transportierten, weitgehend unveränderten Mineralen: klastische Sedimente – je nach Transportmittel (Wind, Wasser, Eis) und der Länge des Transportweges variiert die Korngrößenzusammensetzung: • unsortiert (Moränen) • relativ einheitlich (z.B. in Flugsanden)

– Sedimente, die durch Ausfällung aus der Lösung oder biologische Vorgänge entstanden sind, nennt man chemische oder biogene Sedimente

• 8% der Erdkruste, aber 75% der Erdoberfläche Bodenkunde; M.H. Gerzabek

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Sedimentgesteine

Transport Geschwin- groß ------------------------------------- gering digkeit klastisch lysisch Körnung Kies ---- Sand ----- Schluff ------ T o n --------------------------------------------------------------------MineralFeldspäte Quarz Glimmer Tonminerale Phosphate Chloride Kieselsäure bestand Sesquioxide Carbonate Sullfate + Schwerkraft HangFließerde Kolluvium Ca + Mg , K + Na schutt Wind Dünen-Sand Löß Staub

locker

Eis Schmelzwasser

Flüsse Seen Meer biogen abiogen

Diagenese (Verfestigung) fest

G e s c h i e b esand mergel (lehm) Sander- Beckenschluff - ton Sand Terrassenkies -sand Auen-Lehm, Schlick Süssw.kalk

Korallenkalk Phosphat Meerwasserkalk Gips

durch +Verkittung Konglomorat

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Sandstein

DiatomeenAlgenRadiolarienschlamm

Entwässerung Schluffstein

Tonstein

Kalkstein

Phospho Gips -rit

Steinsalz Flintstein Sylvin

Feste Bodenbestandteile 14

Sedimentschichten; Fingerklippe, Namibia Photo: M.H. Gerzabek, 2008

Feste Bodenbestandteile 15

Sedimenttransport im Zambesi-Delta Photo: M.H. Gerzabek, 2015

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Feste Bodenbestandteile 16

Sedimenttransport, Südinsel Neuseeland bei Christchurch (RangitataRiver) Photo: M.H. Gerzabek, 2017

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Quartäre Lockersedimente • Löß, Flugsand, Auensedimente und Marschen – Löß: schluffreiches Material während der quartären Vereisung aus Wüsten (Sahara), Tundren, arktischen Trockengebieten ausgeweht („Lößgürtel“ von Frankreich bis China); bis 30 m mächtig in der BRD, in China bis 100 m. – Flugsande: weltweit an Küsten und Talrändern zu finden (Dünenbildung) (Sahara: 28%, Australien: 31%)

• Glazigene Sedimente: Moränen der Gletscher während der Vereisung; Geschiebemergel, - lehm, oder -sand • Fließerden: Lockersedimente, die sich in Hanglagen auf gefrorenem Untergrund als wassergesättigter Brei bewegen (Permafrostgebiete); steinreiche Fließerden: „Solifluktionsschutt“ Bodenkunde; M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 18

Löß Ziersdorf Photo. M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 19

Mächtige Flugsandablagerung mit Paläoboden in Lengyel/Ungarn (Komitat Tolna) Photo: M.H. Gerzabek, 2007

Feste Bodenbestandteile 20

Auensedimente, Nationalpark Donauauen Photo: M.H. Gerzabek, 2005

Feste Bodenbestandteile 21

Anthropogene Substrate („anthropos“: der Mensch) • Umlagerung natürlicher Substrate (Bodenabtrag, Bodenaushub) • Bergehalden der Kohlegewinnung • technogene Substrate: – Bauschutt: Gemenge aus Ziegel und Mörtel (+ Asche, Beton, Gips, Bleche, Glas......) – Asche: Flugasche von Kohlekraftwerken und Müllverbrennungen (stark alkalisch pH 8-12) – Schlacken (Hochofenschlacken, Stahlwerksschlacken; meist stark alkalisch; Baustoffe) – Müll, Klärschlämme, Industrieschlämme

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Feste Bodenbestandteile 22

Rekultivierungsschichte, Deponie Photo: M.H. Gerzabek 2003

nbestandteile 23

Minerale • Primäre Silikate – Struktur – Feldspäte – Glimmer und Chlorite

• Tonminerale • Oxide und Hydroxide – Si, Al, Fe, Ti, Mn

• Carbonate, Sulfate, Sulfide und Phosphate

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Feste Bodenbestandteile 24

Die Elementarzelle • Die Elementarzelle ist das kleinste gemeinsame Vielfache eines Kristalls • Die häufigsten Elemente in der Erdkruste: ca. 50% O, 25% Si, Rest: Al, Fe, Mg, Ca, Na und K • Der großvolumige Sauerstoff nimmt 88% des Volumens ein, dessen negative Ladung wird durch die kleineren Kationen in den Zwickeln neutralisiert

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Grundbaustein - der SiO4-Tetraeder Jeder Si-Tetraeder hat 4 negative Ladungen und ist mit weiteren Tetraedern vernetzt. Die Art der Vernetzung führt zu verschiedenen Silikatstrukturen: •Gerüstsilikate (Vernetzung nach allen Seiten) •unvollständige Vernetzung: Blatt-, Schichtoder Phyllosilikate bei flächenhafter Vernetzung Kugel- und Polyedermodell eines Tetraeders

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•eindimensionale Vernetzung: Band- und Kettensilikate •fehlende Vernetzung: Inselsilikate Feste Bodenbestandteile 26

Vernetzung - Silikate • Der Grundbaustein: SiO4 Tetraeder mit vier negativen Ladungen wird mittels Kationen (Al3+, Fe2+, Fe3+, Mg2+, Ca2+) vernetzt (was sich in weiterer Folge auf die Verwitterbarkeit auswirkt) • 2. Variante: statt des Si4+-Ions besetzt das Al3+ Ion das Tetraederzentrum, ohne dass sich die Struktur verändert („Isomorpher Ersatz“); allerdings entsteht ein Defizit an positiver Ladung, das durch zusätzliche positive Ladung (weitere Kationen) in der Struktur kompensiert werden muss.

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Wichtige Silikate Name

Farbe

Form

Struktur -silikate

Chem. Formel (Beispiele)

Quarz

weiß

körnig

Gerüst-

SiO2

Feldspäte

weiß (rosa) spätig

Gerüst-

Olivin

grün

körnig

Insel-

KAlSi 3O8 CaAl 2Si 2O8 (Mg, Fe)2 SiO4

Hornblende

d.grün

stengelig

Band-

Ca2(Mg,Fe)5(OH) 2Si8O22

Augit

d.grün

stengelig

Kette-

(Ca,Mg,Fe,Al,Ti)2 (Si,Al)2O6

Glimmer Biotit

d.grün

plattig

Schicht-

K(Mg,Fe)3(OH)2 AlSi3O10

plattig

Schicht-

KAl2(OH)2AlSi3O10

Muskovit weiß

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Feste Bodenbestandteile 28

Quarzkorn im Bhs Horizont eines Podsols umgeben mit Eisenoxid-Humuskomplexen Photo: M.H. Gerzabek, 2018

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Feste Bodenbestandteile 29

Biotit, Muskovit, Hornblende (von links nach rechts)

aus: Optical mineralogy, Identification of minerals in thin sections (Esperança Tauler and Àngels Canals); Soil Micromorphology Course, Tremp 2017

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Feste Bodenbestandteile 30

Polyedermodell eines Glimmers (aus Scheffer et al., 2010)

austauschbare Kationen (K+ bei Glimmer)

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Tonminerale - Allgemeines I • Sind die wichtigsten bei der Verwitterung entstehenden Silikate; wesentliche Bestandteile vieler Böden und Sedimente • kristalline, OH-haltige blättchenförmige Al-Mg-Fe-Silicate • „secundäre“ Silikate, Phyllosilikate, in der Regel < 2 µm im Durchmesser (Dicke: 2 bis 50 nm) • Tonminerale verleihen den Böden ihre Plastizität, Quellfähigkeit und das Vermögen, Ionen und Moleküle zu sorbieren • Kristalle der pedogenen Tonminerale sind wenig perfekt ausgebildet; haben viele Fehlstellen

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Tonminerale - Allgemeines II • 2:1 Typ (wie Glimmer), 1:1 Typ (nur eine Tetraeder- und eine Oktaederschicht): Zweischichttonminerale (Kaolinit, Halloysit, Dickit) • Isomorpher Ersatz tritt außer in der Tetraederschicht auch in der Oktaederschicht auf und variiert über weite Grenzen (von 0 bis nahe 1 pro Formeleinheit) • geladene Silikatschichten werden zusammengehalten durch – – – –

K+-Ionen (Glimmer) Hydroxidschichten (Bodenchlorit) Wasserstoffbrückenbindungen (Kaolinit) hydratisierte, austauschbare Kationen (Smectit, Vermiculit)

• Oktaeder- und Tetraederschichten können auch zu Hohlkugeln (Allophan) oder Röhren (Imogolit) verknüpft sein Bodenkunde; M.H. Gerzabek

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Tonminerale - Anordnungen bei Zwei- und Dreischichtmineralen (aus Kuntze, Roeschmann, Schwerdtfeger, 1994)

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Feste Bodenbestandteile 34

Einteilung der wichtigsten Tonminerale Strukturtyp

Vertreter

1:1 (Zweischichtminerale)

Kaolinit, Halloysit, Serpentin Illit Smectit Vermiculit Chlorit Palygorskit

2:1 (Dreischichtminerale) 2:1 variabel

Allophan Imogolit

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Höhe der negativen Schichtladung pro Formeleinheit 0

Besetzung des Schichtzwischenraums keine (H+-Brücken)

> 0,6 0,2 – 0,6 0,6 – 0,9 variabel 0

K austauschb. Kat. austauschb. Kat. Hydroxid-Schicht -

0 ?

Feste Bodenbestandteile 35

Kaolinit und Halloysit • Nahezu reine Al-Silikate; Kaolinit ist Hauptbestandteil des Kaolin • Jede Silikatschicht ist auf der Tetraederseite von O2- und auf der Oktaederseite von OH- Ionen begrenzt • Kaolinit: Wasserstoffbrücken zwischen den Silikatschichten (0,7 nm Schichtabstand; Halloysit: Wasser-Lage (Schichtabstand 1 nm) • Geringer isomorpher Ersatz (ein wenig Al in den Oktaedern ist durch Fe3+ ersetzt)

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Feste Bodenbestandteile 36

Modell eines 1:1 Tonminerals (Tunega et al., 2001)

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Illite und Glaukonite • Eng verwandt mit den Glimmern; Dreischichttonminerale mit negativer Schichtladung von 0,6 bis 0,9 pro Formeleinheit – Ersatz von Al3+ durch Mg2+ und Fe2+ in den Oktaedern – Ersatz von Si4+ durch Al3+ in den Tetraedern

• Kaliumgehalt 4-6% (geringer als bei Glimmer mit höherer Schichtladung) • K ist das wesentliche Zwischenschichtkation und bewirkt einen Basisabstand von 1 nm (spezifische Adsorption von Cs) • Glaukonite: höherer Fe-Gehalt in den Oktaederschichten

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Vermiculite und Smectite • Aufweitbare Dreischichttonminerale deren negative Schichtladung durch verschiedene austauschbare Kationen im Schichtzwischenraum neutralisiert wird • Ladung 0,6 bis 0,9: Vermiculite; 0,2 bis 0,6: Smectite • Vermiculite kontrahieren bei Zutritt von K zu Illiten (Basisabstand 1 nm) >> Kaliumfixierung • Vermiculite entstehen aus Biotiten durch Abgabe von K aus den Zwischenschichten und Oxidation des Fe2+ zu Fe3+ in den Tetraedern • Smectite: lagern mehr Wasser ein und weiten stärker auf (bis zu vier Wasserschichten >> Aufweitung bis auf 2 nm Basisabstand – Mg-reiche Form: Montmorillonit Bodenkunde; M.H. Gerzabek

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Strukturmodelle: Illit, Kaolinit und Smectit; aus: Kuntze, Roeschmann, Schwerdtfeger, 1994

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Pedogene Chlorite • Ähneln den primären Chloriten: zwischen den 2:1 Silikatschichten sind inselartig Hydroxidlagen enthalten; die Silikatschichten sind vermiculitischer oder smectitischer Natur • keine Aufweitbarkeit bzw. Kontrahierbarkeit bei K-Zufuhr • treten nur in sauren Böden auf (genügend freies Aluminium)

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Schema eines pedogenen Chlorits (aus Scheffer et al., 1998) Feste Bodenbestandteile 41

Allophan und Imogolit • Allophane sind wasserreiche, sekundäre Aluminiumsilikate • entstehen bei der Verwitterung vulkanischer Gläser • Hohlkugeln mit 3,5 - 5 nm Außendurchmesser • Imogolit: feinste Röhren (2 nm Durchmesser) • außen: Al-OH, innen Si OH-Gruppen

Struktur des Imogolit (aus Scheffer et al., 1998) Bodenkunde; M.H. Gerzabek

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Imogolit

http://www.landcareresearch.co.nz/services/laboratories/minlab/images/Fig7.jpg

Allophane und Immogolite bewirken spezifische Bodeneigenschaften: z.B. sehr geringe Lagerungsdichte

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Bildung von Tonmineralen • Durch Veränderung der Schichtzwischenraumbesetzung – Silikatschichten (aus Muskowit, Biotit, primärem Chlorit) bleiben meist erhalten, Zwischenschichtbesetzung ändert sich – z.B.: K+-wird aus Glimmern herausgelöst und durch Ca2+ und Mg2+ ersetzt; diese werden nicht in die O-Sechserringe hineingezogen sondern bleiben in hydratisierter Form austauschbar

• aus Zerfallsprodukten von Silikaten – Feldspäte, Pyroxene (Kettensilicate), Amphibole (Doppelketten), Schichtsilikate können völlig verwittern und in ionare Einzelbestandteile zerfallen – >> Neubildungen (in situ oder nach Verfrachtung)

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Feste Bodenbestandteile 44

Bildungsprozesse der Bodenminerale (aus Kuntze, Roeschmann, Schwerdtfeger, 1994)

einheitlichere pH-Werte Immobilisierung und Entgiftung organischer und anorganischer toxischer Substanzen (Schwermetalle, Aluminium, ...) Erhöhung der Bodentemperatur durch Lichtabsorption Förderung des Pflanzenwachstums (Phytohormone, Nährstoffe werden kontinuierlich freigesetzt) Bodenkunde; M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 87

Bausteine der organischen Bodensubstanz • Polysaccharide: Anteil nimmt während der Humifizierung ab (Energiequelle für MO) • aromatische Bausteine: stammen aus den Resten des Lignins • Alkyl-C: die organische Substanz des Bodens enthält ca. 5 ... 7 % extrahierbare Lipide; reichern sich mit zunehmender Humifizierung an und sind oft als Ton-Humus-Komplexe vorliegend • Stickstoff, Schwefel und Phosphor

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Das Alter der organischen Substanz • Kann mittels 14C-Markierung (Radiokohlenstoffmethode) ermittelt werden • das 14C-Alter gibt eine mittlere Verweilzeit im Boden an, einzelne Kompartimente können stark abweichen; Halbwertszeit von 14C: 5730 Jahre Auflagehorizonte Ah-Horizonte

rezent < 500 Jahre (14C-Alter)

Parabraunerden, Bt-Horizonte Vertisole, 50 cm Tiefe

2000 .... 5000 Jahre 1000 ... 4000 Jahre

Vertisole, 150 cm Tiefe 3000 ... 6000 Jahre Mollisole (z. B. Tschernosem), Ah-Horizont 80 ... 100 cm 2600 ... 3900 Jahre

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Humusdynamik - das Gleichgewicht zwischen Anlieferung und Abbau der organischen Substanz • Die jährliche Zufuhr von organischen Substanzen hängt vom Klima, Vegetationstyp und den Bodenverhältnissen ab • größte jährliche Streuerzeugung: tropische Regenwälder • größte C-Akkumulation: boreale Nadelwälder (ungünstige Standortverhältnisse für Mineralisation) • in mitteleuropäischen Ackerböden verbleiben im Durchschnitt 3 t ha-1 a-1 Trockenmasse an Ernte- und Wurzelrückständen im Boden • die Geschwindigkeit der Umsetzung hängt stark von den Umweltbedingungen der Bodenorganismen ab. Bodenkunde; M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 90

Faktoren, die die Umsetzung der organischen Substanz beeinflussen Achtung einzelne Faktoren können absolut begrenzend sein! niedrige Temperaturen

hohe Temperaturen

zu trocken

optimale Bodenfeuchte

anaerob

optimale Durchlüftung

(z.B. hydromorphe Verhältnisse)

Steigende Abbaugeschwindigkeit Bodenkunde; M.H. Gerzabek

Feste Bodenbestandteile 91

Humusanreicherung in Auböden des Nationalparkes Donauauen; Einfluss der Vegetation auf die Corggehalte und die Akkumulationsraten (Zehetner, Lair, Gerzabek, Global Biogeochem. Cycles, 2009, nature highlight)

Feste Bodenbestandteile 92

Organische Substanzgehalte (%Corg) in Oberböden Europas (Jones et al., 2004)

Feste Bodenbestandteile 93

Einfluß der Landnutzun...