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1. Einführung in die allgemeine Bodengeographie: Definitionen:  Der Boden ist der oberste Grenzbereich der Erdoberfläche, in dem sich Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre überlagern und durchdringen.  Boden ist ein, im Laufe der Zeit, unter dem Einfluss der Umweltfaktoren sich weiterentwickelndes Umwandlungsprodukt mineralischer und organischer Substanzen, das höheren Pflanzen als Standort dient und die Lebensgrundlage für Tiere und Menschen bildet.  Boden = Umwandlungsprodukt der Lithosphäre, das sich an Ort und Stelle unter dem Einfluss von Atmosphäre und Organismen bildet oder gebildet hat. Die natürliche Bodenfunktion und ihre Rolle im Naturhaushalt: - Lebensraum: Bodenorganismen - Standort: natürliche Vegetation, Kulturpflanzen - Ausgleichskörper: Wasser - Filter und Puffer: Schadstoffe - Archiv: Landschafts- und Siedlungsgeschichte

2. Faktoren der Bodenbildung Bodenkundliche Begriffe: primär vom Klima beeinflusst (Bodenzonen der Erde)

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Zonale Böden:

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Intrazonale Böden: Dominanz von Ausgangsgestein, Topographie, Wasserhaushalt, Klima

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Azonale Böden:

wenig entwickelte Böden, wegen jungem Alter, kein für eine bestimmte Klimazone typisches Bodenprofil vorhanden

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Bodencatena:

charakteristische, reliefbedingte Abfolge von Böden

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Rezenter Boden:

Boden, der durch die momentan herrschende Faktorenkombination erklärt wird

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Reliktischer Boden: ist heutigen Umweltbedingungen ausgesetzt, weißt aber Merkmale früherer veränderter Faktorenkonstellation auf

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Fossiler Boden:

ist im Untergrund konserviert durch Überschüttung

Boden = f (Klima, Ausgangstein, Relief, Vegetation, Bodenlebewelt, Mensch) x Zeit Skript S. 3 Bodenbildung (Pedogenese) besteht aus 4 grundlegenden Bodenbildungsprozessen: 1.) Verwitterung- und Mineralneubildung: Verwitterung der Ausgangsgesteine und Herausbildung eines charakteristischen geogenen und pedogenen (u. a. Eisenoxide, Tonminerale) Mineralkörpers. Bei Verwitterung entstandene Ionen  Nährstoffe/Auswaschung durch Sickerwasser

2.) Humusbildung (Mineralisierung und Humifizierung): Abbau der organischen Streu (Mineralisierung) und Neubildung (Humifizierung) von Humus und Huminstoffen. Anorganische Endprodukte der Mineralisierung: u. a. H20, CO2, NH4 3.) Gefügebildung: Durch Gefügebildung entsteht eine typische Bodenstruktur (Gefüge) und ein sekundäres Porensystem. Bodengefüge beeinflusst Stabilität von Böden. Ergebnis von chemischer und biologischer Aggregierung und Verkittung von Bodenbestandteilen, von Quellen und Schrumpfen, Gefrieren und Auftauen des Bodens, sowie Umlagerung und Verlagerung von Bodeninhaltsstoffen. 4.) Verlagerung von: u. a. Tonmineralen, Eisen- und Al-Oxiden, Huminstoffen, Salzen und anderen gelösten Elementen (u. a. Nährelemente, Schermetalle und organische Schadstoffe).

Begriffsdefinitionen: 

Profil:

Abfolge der zu einem Boden gehörenden Horizonte, begrenzt oben durch die Bodenoberfläche, unten meist durch Ausgangsgestein

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Horizont:

Durch Bodenbildungsprozesse veränderter und gekennzeichneter, meist oberflächenparalleler Bereich im Boden mit in der Regel unscharfer Untergrenze. Intensität nach unten abnehmend. Ähneln von Eigenschaften an der Bodenoberfläche der organischen Streu, mit zunehmender Tiefe dem Ausgangsgestein.

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Schicht:

Durch geologische Prozesse (auch Sedimentation) geprägter Bereich im Sediment oder Gestein mit in der Regel scharfer Unter- und Obergrenze

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Lage:

oft verwendet für charakt. Bereiche von Humusauflagen

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Bodentyp:

gekennzeichnet durch Kombination bestimmter Bodenmerkmale, die häufig gemeinsam vorkommen und miteinander gekoppelt sind

 Bodentyp besteht je nach Entwicklungsstand aus mehreren Horizonten. Jeder Bodentyp durch charakteristisches Bodenprofil gekennzeichnet: Genetischer Bodentyp: 1.) gleiche Horizontfolge 2.) ähnliche Ausprägung der Horizonte 3.) gleiche pedogene Eigenschaften, aber nicht gleiche geogene Eigenschaften

Bodenhorizonte: L: Streuschicht, weitgehend unzersetztes organisches Ausgangsmaterial (Blattwerk, Nadeln..) O: Organischer Horizont, auf dem Mineralboden aufliegend; in die Tiefe zunehmende Zerstörung der Struktur der organischen Substanz (Humusbildung) A: Oberer mineralischer, mit organischer Substanz vermischter Horizont (=Oberboden). Humuseintrag aus O-Horizont durch Sickerwasser und Bodenorganismen. Abführung von Stoffen (Ton, Eisen..) in B-Horizont

B:

C:

Mineralischer Horizont, durch Ver-/Umlagerung mit Ton, Fe, Al und/oder org. Substanz angereichert (=Unterboden). Nach verlagerndem Prozess (A-Horizont) entstehen unterschiedlich geprägte B-Horizonte  unterschiedliche Bodentypen Ausgangsgestein, chemisch, physikalisch bereits verwittert, Gesteinsstruktur vollständig erhalten.

Bodenfruchtbarkeit (Produktivität eines Bodens)= Fähigkeit eines Bodens, Wachstum und Erträge von Organismen v. a. von pflanzen zu ermöglichen; bestimmt durch Gesamtheit der Eigenschaften des Bodens und deren Wechselwirkungen: - Gründigkeit - Textur und Struktur - Luft- und Wasserhaushalt - Säuregrad - Redoxpotential - Humusgehalt - Sorptionseigenschaften und Nährstoffhaushalt - Wärmezustand - Gehalt und Aktivität der Bodenlebewelt

2.1 Textureigenschaften von Böden a) Gesamtvolumen der Böden besteht aus ca. 50% Matrix (org./min. Bestandteile), 50% Porenraum b) Unterscheidung nach Korndurchmesser (Bodentextur = Körnung = Korngröße) Bodenskelett/Groberde ( 2mm) (Blöcke, Geröll, Kies)

 Feinboden ( 2mm) (Sand, Schluff, Ton)

 in der Regel Mischung aus verschiedenen Korngrößen/Kornfraktionen vorherrschende Mineralbestandteile in den Kornfraktionen: Sand (2000-63): Quarz, lokal/regional auch Carbonate, Feldspäte, Glimmer Schluff (63-2): Quarz, Feldspäte, Glimmer, lokal/regional auch Carbonate Ton (2-0): Tonminerale und Eisen-Oxide Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung: Fingerprobe im Gelände, Laboranalyse c) Einige Eigenschaften von Bodenarten: 1.) bodenphysikalische Eigenschaften: - je sandiger  durchlässiger  geringe Wasserspeicherung (grobporenreich) - je toniger  undurchlässiger  höhere Wasserspeicherung, mehr Totwasser (feinporenreich) - je schluffiger  große Wasserspeicherkapazität für pflanzenverfügbares Wasser (mittelporenreich) 2.) bodenchemische Eigenschaften: - je sandiger  nährstoffarmer  geringe Pufferfähigkeit - je toniger  nährstoffreicher  große Pufferfähigkeit - Schluffböden: Mittelstellung zwischen Sand- und Tonboden

d) Kenngrößen: Luftkapazität (Anteil des Porenraumes, der nur kurzfristig mit Wasser gefüllt ist, am höchsten bei: Sand), Totwasseranteil (pflanzen nicht verfügbares Wasser durch starke Kapillarkräfte; am höchsten bei: Ton), Porosität (Verhältnis Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen; am höchsten bei: Sand)

2.2 Mineralische Bestandteile des Bodens Minerale und Gesteinsbruchstücke: Verwitterung magmatischer, metamorpher oder sedimentärer Gesteine  vollständig aufgelöste / mehr oder minder korrodierte Primärmineralien  Pedogenese: Entstehung neuer pedogener Mineralien -

a) Tonminerale Tonminerale (Töne) sind Schichtsilikate  Entstehung von Tonmineralen durch Veränderung der Schichtzwischenraumbesetzung (chem. Verwitterung) Einbau von Wasser zw. den Elementarschichten oder an ihrer Oberfläche  v. a. 3-Schicht-Tonminerale  größerer Schichtabstand Tonmineralien sind fast immer negativ geladen, daher bevorzugter Zwischenträger von positiv geladenen Nährstoffen (Kationen). Bei Bedarf via Bodenlösung Abgabe an die Pflanzen. 3-Schicht-Tonminerale: höhere Kationenaustauschkapazität Tonminerale können dank ihrer Ladung und ihrer aktiven Oberfläche stabile Verbindungen mit Humussubstanzen eingehen (Ton-Humus-Komplexe). Zersetzung des Humus verzögert Aufbau einer Krümelstruktur im Boden Zweischichttonminerale: Kaolinit Dreischichttonminerale: Smectit, Vermiculit, Illit b) durch chemische bzw. biochemische Ausfällung: Sesquioxide Oxide, Hydroxide und ihre Zwischenstufen sind Endprodukte der hydrolytischen Verwitterung. Freisetzung bei chemischer Verwitterung der primären Silikate  Oxidation und Ausfällung als Oxid, sehr kleine Korngrößen, aber große Oberfläche. Fe-/Al-/Mn-Oxide schwer löslich (Haltbarkeit über geologische Zeiträume hinweg)  Braun-/Rotfärbung von Böden Braunfärbung durch Ferrihydrit Rotfärbung durch Hämatit

2.3 Organische Bestandteile des Bodens und Lebewelt Die organischen Substanzen im Boden umfassen alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffen und deren organischen Umwandlungsprodukte. Mineralisierung: vollständiger mikrobieller Abbau zu anorganischen Stoffen, dabei auch Freisetzung der in den organischen Stoffen enthaltenen Pflanzennährelemene  entstehende Produkte: CO2, Wasser, Pflanzennährstoffe Humifizierung: Umbau, bzw. Neuaufbau von organischer Substanz bei dem Huminstoffe, Fulvosäure und Huminsäuren entstehen (biochemischer Prozess) Humus: Skript S. 9

Durchschnittliche Humusgehalte: Waldböden: 2-8%, A/B Übergangshorizonte: 1-2%, Ah-Horizonte von Rendzinen/Ranker: mind. 8%, Anmoorgleye: 15-30%, Niedermoore: über 30%, Hochmoore: bis zu 100% Wichtige Funktionen der Organismen im Boden: - Ab-/ Umbau von organischen Substanzen - Umwandlung und Neusynthese von Stoffen z.B. Stickstofffixierung - Mobilisierung von Nährstoffen - Durchmischung von Bodenpartikeln (Bioturbation) - Strukturbildung  Regulierung von Wasser- und Lufthaushalt - Lebende Biomasse  rasch verfügbares Nährstoffreservoir Bakterien: Pilze: Flagellaten: Anneliden:

Zersetzung organischer Substanzen, N-Fixierung aus der Luft Aufschließung organischer Substanzen um Nährstoffe zu bilden, Abbau org. Substanz fressen Bakterien, Pilze, Algen Bioturbation, Strukturbildung, Durchlüftung, Entwässerung; fressen Streu und teilweise Mineralboden  Transport in tiefere Schichten; Bioporen mit Lösungssekret, wichtige Funktion im N-Kreislauf

Wichtige Organismen bei Bioturbation: Makro- und Megafaune ab einer Größe von ca. 2mm, z.B. Regenwürmer, Webspinnen, Schnecken, Asseln, Hundertfüßer; aber auch Mesofaune?

3. Bodenbildende Prozesse Transformationsprozesse: - Verwitterung der mineralischen Bestandteile (im Boden befindliche Gesteinsbruchstücke)  Mineralneubildung: pedogene Mineralien - Mineralisierung der abgestorbenen organischen Materie  Humifizierung: Huminstoffe (Fulvosäuren, Huminsäuren, Humine) und Nichthuminstoffe (C, N, P, Ca, K, Mg)  Endprodukte beider Transformationsprozesse: typischer Mineral- und Humuskörper eines Bodenstandortes -

Gefügebildung

Translokationen: Aus-/ Eintrag von verschiedenen Stoffen Skript S. 14

3.1Abbauprozesse 3.1.1 Physikalische Verwitterung Physikalische Verwitterung  mechanische Verwitterung der Bodenpartikel / Ausgangsgesteins  eckige Partikel m. relative Kornoberflächenvergrößerung  Angriffsfläche der chemischen Verwitterung Skript S. 17

3.1.2 Chemische Verwitterung / Lösungsverwitterung Lösung oder Umwandlung von Mineralien (Gesteinen) durch Wasser und die darin gelösten Substanzen. Voraussetzungen: a) Wasser als Lösungsmittel vorhanden (je höhere Temp., desto größer  Ausnahme: Karbonatverwitterung)  aride Gebiete: langsam ablaufende Verwitterung der Mineralien und Gesteine b) Angriffsoberfläche: je größer, desto intensivere chemische Verwitterung  physikalische Verwitterung begünstigt chemische Verwitterung

Verwitterungsstabilität von Mineralien hängt ab, von: - Spaltbarkeit - Bindungskräfte im Gitterbau - Wasserlöslichkeit (leichtlösliche Salze > Gips > Calcit > Dolomit) - Für schwer lösliche Silikate: Struktur der Silikate Gips < Kalkspat (Calcit  löst sich sehr schnell) sog. Tonminerale - Folge: Erhöhung des Tongehalts im Bodensubstrats --> Verlehmung - Bestimmung durch die Fingerprobe, Feldmethode zur Abschätzung der Bodenart - Tonminerale können wie Huminsäuren, Kationen in austauschbarer Form binden, insbesondere 3 - schicht- Tonminerale - Tonminerale kann man durch den Schichtgitterabstand bestimmen

Bedeutung der Tonminerale für den Boden: 1. kleine Korngröße  große spezifische Oberfläche große elektrostatische Bindungskräfte  Bindung verschiedenster Nährstoffe (aber auch Schadstoffe) 2. Quellfähig Speicherung von Wasser (Wasseranlagerung) (Aufweitung >40%) 3. hohe KAK Austausch von Nährstoffen 4. Geben stabile Aggregatsstrukturen Festigkeit für den Boden und Verankerungsmöglichkeiten für die Pflanzen 5. Geringe Wasserdurchlässigkeit  verhindert Auswaschung 6. Pufferungen gegen H+ Ionen und Versauerung

3.2.3 Humus und Huminstoffe -

entstehen durch Mineralisierung der organischen Streu: vollständiger mikrobieller Abbau zu anorganischen Stoffen (CO2, H2O) –> dabei auch Freisetzung der in den organischen Stoffen enthaltenen Pflanzennährelemente (z.B. Mg, Fe, N, P, S)

Humus: Abgestorbene Tiere und Pflanzen, Auflagehumus (Humus vermengt mit Mineralboden) und im Bodenwasser transportierte organische Substanzen Vgl. Skript S. 9 Humifizierung: s.o.

3.3 Verlagerungsprozesse 3.3.1 Lessivierung Tonverlagerung/Lessivierung: Transport von Kolloiden und Partikeln  Abwärtsverlagerung von Teilchen in der Tonkorngröße Neben gelösten Bestandteilen kann Bodenlösung auch Kolloide (Tonminerale, Metalloxide, Organometallverbindungen) und kleine Tonpartikel (meist 80t/ha/a (ca. 15t je ha Bodenabtrag  ca. 1mm Oberboden bei flächenhafter Abtragung; Neubildung von 5mm Oberboden je nach Ausgangsgestein ca. 250-500 Jahre)  Erosionsschäden irreversibel: vorbeugender Erosionsschutz (geeignete Bewirtschaftung, erosionsmindernde Maßnahmen) Maßnahmen gegen Wassererosion: - Belassung gefährdeter Böden unter Wald, Grünland, Obstkulturen - Konturpflügen - Mulchen, Steinbedeckung - Tiefenlockerung - Gefälle < 15°

Maßnahmen gegen Winderosion: - Windschutzbepflanzung - Mulcher - Belassung von Stoppeln auf dem Acker - Pflügen nur bei feuchtem Boden

Allgemeine Bodenabtragsgleichung A=R • K• L• S • C • P A = langjähriger, mittlerer, jährlicher Bodenabtrag R = Regen - und Oberflächenabflussfaktor K = Bodenerodierbarkeitsfaktor L = Hanglängenfaktor S = Hangneigungsfaktor C = Bedeckungs- und Bearbeitungsfaktor P = Erosionsschutzfaktor Schwermetalle -

v.a. Hg, d, Pb, Zn, Cu, Cr, Co, Ni, As natürlich in der Erdkruste in Spuren stets auch in lebenden Systemen

Eintrag in Böden: - über Luft - Ausbringung von v.a. Klärschlamm, Komposten aus Abfällen, bestimmten Düngern - vor dem Verbot bleihaltiger Antiklopfmittel im Benzin  pb - Reifenabrieb (--> KFZ - Verkehr allgemein)  Cd! - Cadmiumhaltige Verbrennungsrückstände der Dieselöls Wichtig: Anteil der mobilen "verfügbaren" Fraktionen am Gesamtschwermetallgehalt (%)! Löslichkeit der Schwermetalle nimmt zu von: Hg, Pb, Cr, As < Cu < Ni < Zn, T < Cd Mobilisierung pH – abhängig: - neutrale und basische Bodenreaktion: i.d.R. Fixierung - pH - Wert < 7 , Mobilisierung von Cd - pH -Wert < 4,5 Mobilisierung von Hg, Pb  Bei hohen pH - Werten werden Schwermetalle zunehmend absorbiert, bei niedrigen pH - Werten zunehmend mobilisiert Nitrifikation ist die mikrobielle Umwandlung von Ammonium zu Nitrat. Zeichen der Versauerung des Bodens. Schwermetallmobilität und Pflanzenaufnahme Zusammenhang zwischen Grenz - pH (pH-Wert, ab dem mobilisiert wird) sowie Transferkoeffizienten zwischen Boden und Pflanzen

Probleme: - Cd, Zn, T, Ni (hoher Grenz - pH und hohes Transferpotential) - gefolgt von Cu, Co, As, Cr, Pb, Hg, (niedriger pH - Wert und geringer Transferkoeffizient) Resümee: Einflussgrad der Mobilität und Verfügbarkeit von Schwermetallen in Böden 1. hohe Gesamtgehalte an nicht - silikatisch gebundenen Schwermetallen 2. niedriger ph - Wert des Bodens 3. hoher Gehalt des Bodens an Mn-, Fe-, Al-Oxiden; an Huminstoffen und an Tonmineralen 4. Anwesenheit löslicher organischer Komplexbildner ( z.B. Fuluosäuren, Citronensäuren bilden lösliche metallorganische Komplexe mit Mn, Cu, Zn …) = Adsorbenten

4.4 Bodenwertzahlen und Bodenschutz o Ackerzahl: Ertragsfähigkeit landwirtschaftlich genutzter Böden. Bestimmt durch: Bodenart, geologische Alter, Entwicklungsgrad (Zustandsstufe)  Schwarzerde höchste Bodenzahl (100), z.B. in Magdeburger Börde o Grünlandzahl: Vegetationsdauer, Pflanzenbestand, Geländegestaltung  Bundesebene: Bundesbodenschutzgesetz

5. Regionale Bodenentwicklungen und Bodenzonen der Erde 5.1 Bodensystematik der BRD (Bodenhorizonte) Bodenklassifikation durch Kubiena (1953), Kriterien u. a. : - bodenbildende Prozesse - Ausgangsgesteine - Stauwasserböden - Grundwasserböden - Moorböden Skript S. 38

5.2 Bodenentwicklungen als Funktion der Zeit auf verschiedenen Ausgangsgesteinen Ausgangsgestein großen Einfluss auf Klimaentwicklung  verschiedene Bodenentwicklungsreihen Bis heute noch nicht Klimaxstadium erreicht, da heutige Böden erst seit Ausgang des Hochglazials der letzten Kaltzeit meist auf periglazial vorverwitterten Landoberflächen entstanden sind...