Bodenkunde Zusammenfassung PDF

Preview

Summary

Gute Zusammenfassung des Bodenkundeskriptes...

Description

Bodenkunde Bodendefinition: 







  

„Boden ist der belebte, oberste Bereich der Erdkruste im Überlappungsbereich von Bio-, Litho-, Atmo- und Hydrosphäre, bestehend aus Mineralien unterschiedlicher Art und Größe sowie organischen Stoffen (Humus) mit einem Hohlraumsystem, das Wasser und Luft aufnimmt. Der Boden dient Pflanzen als Standort und Reduzenten als Lebensraum“. „Die Bodenkunde (Bodenwissenschaft) ist die Wissenschaft von den Eigenschaften und Funktionen sowie der Entwicklung und Verbreitung von Böden. Sie befasst sich mit den Möglichkeiten der Nutzung von Böden und mit den Gefahren, die mit ihrer Fehlnutzung durch den Menschen zusammenhängen, sowie mit der Vermeidung und der Behebung von Bodenbelastungen.“ „Boden ist die im Oberflächenbereich der Gesteine durch den Einfluss von Klima, Vegetation, Bodenfauna/Mikroflora, Relief und unter Einwirkung des Menschen während eines bestimmten Zeitraumes entstandene Umwandlungszone mit neuen charakteristischen Eigenschaften gegenüber dem Ausgangsgestein.“ "Boden ist das mit Wasser, Luft und Lebewesen durchsetzter, unter dem Einfluss der Umweltfaktoren an der Erdoberfläche entstandene und im Ablauf der Zeit sich weiterentwickelnde Umwandlungsprodukt mineralischer und organischer Substanzen mit eigener morphologischer Organisation, das in der Lage ist, höheren Pflanzen als Standort zu dienen und die Lebensgrundlage für Tiere und Menschen bildet. Als Raum-Zeit-Struktur ist der Boden ein vierdimensionales System."

Entwickelte sich aus der Verwitterungslehre (Geologie) bzw. Gesteinskunde/Petrographie Wichtig für Agrarwissenschaftler und die traditionelle Nutzung von Boden für Ackerbau und Wasserwirtschaft (Trinkwasser wird zu 65% aus Grundwasser gewonnen!) sowie Forstwirtschaft

Wofür benötigen Bauingenieure Kenntnisse über Böden?          

Baugrunderkundung / -untersuchung Baugrundgutachten/Gründungsberatung Grundbaustatik und Standsicherheitsnachweise Geotechnische Berichte Qualitätssicherung und Bauüberwachung Böden als Rohstoffquellen, z.B. Sande, Kiese, Lehme, Tone Altlastenstandorte Bodenumlagerung Abfall und Deponiebau Planerische Zwecke: Verbreitung von Böden in Landschaften

Böden als Rohstoffe:    

Erkundung von festen mineralischen Rohstoffen Planung der Aufsuchung und Gewinnung von Rohstoffen Betriebspläne/Rahmenbetriebspläne Lehm hat eine Rohdichte ρ [kg/m3] zwischen 800-2000; Wärmeleitzahl λ [W/mK] 0,20-2,10

   

Lehm, einer der wohl ältesten Baumaterialien der Erde Lehm reguliert Feuchtigkeit & Wärme Lehm ist diffusionsfähig so dass ein mit Lehm gebautes Haus atmen kann Heute oft: Lehmputze / Dämmung

Bodenschutz / Altlasten:  Projektmanagement / -controlling im Rahmen der Altlastenhaftungsfreistellung  Altlasten - Untersuchung, Bewertung, Sanierung  Grundwassersanierung hydraulisch on-site, in-situ mit innovativen Verfahren

Bodenumlagerung / Abfall:  Deponien – Standortsuche, Planung, Überwachung, Schließung, Rekultivierung, Nachsorge  Abfallwirtschaftskonzepte  Rückbau kontaminierter Bausubstanz

Böden in der Landschaft:  Flächennutzungspläne (Landschaftsrahmenpläne, Bebauungspläne, Verkehrsplanung etc.)  Umweltverträglichkeitsprüfungen (UVP)  Bodenverbreitung, Bodenkarten –unterschiedliche Eigenschaften von Böden

Faktoren der Bodenbildung: B = f (G, K, O, R, M) * Z B – Boden

G – Ausgangsgestein

K – Klima

O – Organismen

R – Relief

M – Mensch Z – Zeit



    



Klima: Fest-/ Lockergestein, grob-/feinkristallin, Schichtausrichtung, Sedimentkörnung, Mineralbestand, Carbonatgehalt, Deck- oder Basislage Ausgangsmaterial: wie bei Klima Relief: Höhenlage, Geländeform, Inklination, Exposition, Kleinklima Wasser: Grundwasserstand, Stauwasser, Oberflächengewässer, Bodenwasser Flora & Fauna: Organische Substanz, Durchwurzelung, Mikroklima, Bioturbation, Humusformen Menschliche Tätigkeiten: Rodung, Landwirtschaft, Frostwirtschaft, Düngung, Be-/Entwässerung, Schadstoffeinträge, Auftragsmaterialien, technogene Substrate Zeit: Entwicklungsdauer, Klimaänderungen

• Ausgangsgestein: steuert die mineralogische und chemische Zusammensetzung des Bodens

• Lebewesen: Tiere, Pflanzen, Pflanzenwurzeln, Mikroorganismen • Klima: wichtige Klimafaktoren für Bodenbildung sind: Wärme, Höhe und Verteilung der Niederschläge und der Wind

• Relief: umfasst Lage über dem Meer, Exposition und Hangneigung, Beziehung zum Grundwasserspiegel • Mensch: direkte Eingriffe (Bewirtschaftung), indirekte Eingriffe (Beeinflussung der bodenbildenden Faktoren, Bodendegradation)

• Zeit: nicht beeinflussbarer Faktor

Bedeutung des Bodens:   

   < < <

Grundlage der Nahrungsmittelproduktion + Lebensraum des Menschen 98% aller Nahrungsmittel werden über den Boden erzeugt Beeinflusst zu ca. 70% die Qualität des Trinkwassers, Spurengaskonzentration der Atmosphäre + Lebensraum und Lebensqualität des Menschen in Bezug auf Gestaltung von Landschaft & Umwelt Wir leben auf dem Boden von dem was der Boden hergibt Eigenschaften + Gesundheit entscheiden über blühende Landschaft/Wüste „Erdkruste“ (Boden) entstand in Jahrtausenden von Jahren 1-2m mächtig, relativ dünn, sehr verletzbar Zerstörbar in wenigen Tagen bis Stunden  geschieht täglich Grund: direkte Einwirkung des Menschen bei der Versiegelung von Boden + mangelnder Bodenschutz bei Eintritt extremer Naturereignisse

Funktion des Bodens:  Ökologische Funktion: Lebensraum- und Trägerfunktion, Regelungsfunktion, Archiv- und Informationsfunktion  Nutzungs- und Produktionsfunktion: Landwirtschaftsfläche, Waldfläche, Siedlungs- und Verkehrsfläche, Freizeitfläche       

Lebensgrundlage & Lebensraum für Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere & Menschen Wurzelraum für Pflanzen + Lieferant von Wasser, Sauerstoff & Nährstoffen Grundlage des Pflanzenwachstums in Ökosystemen, auch für Lebewesen, die sich direkt/indirekt von Pflanzen ernähren Regeln natürlichen + beeinflussten Kreislauf von Wasser, Luft, organischen + mineralischen Stoffen Filtern, puffern, transformieren, emittieren und speichern Stoffe Speichern eine Fülle von Informationen (Genpool) Archiv für die Landschaftsgeschichte (Natur- und Kulturgeschichte)

Regelungsfunktionen (Speicher-, Filter-, Puffer-, Transformatorfunktion): regeln die natürlichen und vom Menschen beeinflussten Kreisläufe von Wasser, Luft, organischen und mineralischen Stoffen  filtern, puffern, transformieren, emittieren und speichern Stoffe  Böden spielen eine wichtige Rolle in geochemischen Zyklen 1. Assimilation organischer Abfallprodukte 2. Umwandlung dieser Produkte in Humus 

3. Umwandlung von mineralischen Nährstoffen in pflanzenverfügbare Formen 4. Abgabe von Kohlenstoff für die Photosynthese an die Atmosphäre  ist ein entscheidendes Glied im ständigen Fluss von Energie und Stoffen in Ökosystemen

 < < <

Filterfunktion: Mechanische Reinigung (Filterung) Physikalisch-chemische Reinigung (Entsalzung) Biologische Reinigung (Entkeimung)

Zusammensetzung des Bodens:  

Oxide & Hydroxide Carbonate, Sulfate, Sulfide & Phosphate

Verbindungen der häufigsten Elemente: SiO2 (Quarzsand), SiO44- (Grundbaustein Silikat), Al2O3, Al (OH)63Vernetzung bei Silikaten: Insel-, Ketten-, Band-, Schicht- & Gerüst-Silikat

Funktion von Böden: Filterfunktion  Reaktion basisch wirkender Stoffe auf Säuren  Neutralisation der H+Einträge in schwächer dissoziierte Säuren  Einfluss von pH-Wert, basischen Bestandteile  =Säureneutralisationskapazität

Lebensraumfunktion:  

Lebensgrundlage & Lebensraum für Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere & Menschen als Medium für Pflanzenwachstum: 1.physische Stabilität 2.Luft 3.Wasser 4.Nährstoffe 5.Wärmespeicher 6.Schutz

Nutzungsfunktion:

  

Grundlage für die land- und forstwirtschaftliche Nutzung Rohstofflieferanten für Ton, Sand, Kies, Kalk, Ziegellehm u.a. bilden die Flächen für Siedlung, Erholung, Wirtschaft und Verkehr

Archiv- und Informationsfunktion:        < <  < < <

Böden sind als Bestandteile von Landschaften ein Archiv der Landschaftsgeschichte (Natur- und Kulturgeschichte) Böden dokumentieren Einflüsse des Menschen Ur-/frühgeschichtlicher Speicher Archäologischer Speicher Speicher für Klimaänderungen, z.B. Kaltphasen des Mittelalter, Warmphasen des Tertiär Speicher landwirtschaftlicher Kulturgeschichte, z.B. Ackernutzung, frühere Wirtschaftsweise Günstiges Klima  Bevölkerungswachstum Wachsender Bedarf an Nahrungsmitteln Ausdehnung der Ackerflächen, Waldordnung Klimaverschlechterung („Kleine Eiszeit“) Katastrophale Erosionsereignisse im Mittelalter Bildung mächtiger Kolluvisole Ernteausfälle, Hungersnöte, Pestepidemien

Bodentyp Treposol (Tiefenumbruchboden): Klasse der anthropogenen Böden Tiefenumbruch wurde mit mehreren Traktoren oder Dampfpflügen durchgeführt Boden bis zu 1,5 m umgepflügt Ziel dieser Maßnahme war es, die Bodeneigenschaften zu verbessern entweder Material mit günstigeren Eigenschaften aus dem Unterboden in den Oberboden transportiert  oder um verhärtete und wasserstauende Schichten und Horizonte im Unterboden aufzubrechen.  deutsche Sandmischkultur

    

Korngrößen:  

Feinerde (Ton, Schluff [staubfeiner, lehmiger Sand; sehr feines Sediment], Sand), Größe: 0,002mm – 2mm Grobboden/ Bodenskelett (Kies, Steine), Größe: 2-63mm

Sandböden Lehmböden Tonböden Mergelböden Lößböden Hauptbestandteile des Bodens in M.-%:

Sand: Sediment aus Quarzkörnchen Lehm: Gemenge aus Ton und Sand Ton: Sediment, durch chem. Verwitterung feldspatreicher Gesteine entstanden Mergel: Sediment aus kalkhaltigem Ton Löß: kalkreiches Sediment aus staubfeinen Quarzkörnchen

Mineralische Bestandteile: 53%, Bodenlösung: 25%, Bodenluft: 20%, organische Bestandteile: 2%

Bodenlösung:   

  

umfasst die flüssige Phase des Bodens besteht aus dem Bodenwasser mit den darin gelösten Nähr- und anderen Elementen enthält neben Wasser als Lösungsmittel gelöste Gase, Ionen und Moleküle sowie dispergierte Kolloide unterschiedlicher Größe von anorganischen, organischen und organo-mineralischen Substanzen speist sich aus den Niederschlägen und den darin aufgenommenen atmosphärischen Gasen, Aerosolen und Pilzsporen Wechselwirkung mit Bodenluft und den anderen Bodenpartikeln ist als Träger der pflanzenverfügbaren Nährstoffe die Ernährungsgrundlage der Vegetation

Bodenluft:   

gasförmige Teil des Bodens mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid steht im Kontakt mit der Atmosphäre/ Eingeschlossen von Festteilchen und Wasser enthält grundsätzlich dieselben Komponenten wie die oberirdische Atmosphäre

Organische Bodenbestandteile:      

abgestorbene und in Zersetzung befindliche Pflanzenrückstände, bodeneigene organische Stoffe (Humus), Bodenlebewesen, lebende Pflanzenwurzeln Organische Substanz: alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Produkte und deren organische Umwandlungsprodukte Streustoffe: oberirdisch abgestorbene Pflanzenteile, tote Wurzeln und Bodenorganismen und deren Bestandteile, nicht oder nur schwach umgewandelt Nicht Huminstoffe: enthalten im wesentlichen die Stoffgruppen Lipide, Proteine, Polysaccharide und Lignin Huminstoffe: stark umgewandelte, z.T. hochmolekulare Substanzen ohne makroskopisch erkennbare Gewebestrukturen

Bodenbiologie:       

Gesamtheit aller im Boden lebenden Organismen = Edaphon permanente Bodenorganismen: alle Bodentiere, die sämtliche Lebensstadien im Boden verbringen temporäre Bodentiere: verbringen nur einen Teil ihres Lebens im Boden (z.B. Insektenlarven) periodische Bodenorganismen: suchen den Boden öfter auf und verlassen ihn wieder (z.B. Wühlmäuse) Bodenflora: Bakterien, Pilze, Algen, unterirdische Pflanzenorgane Bodenfauna: Protozoen, Nematoden, Mollusken (Weichtiere), Anneliden (Ringelwürmer), Arthropoden Einteilung der Organismen nach der Körperlänge in Mikro-, Meso- und Makrofauna

Bodenreaktion (pH-Wert):   

  

 

pH-Wert: negativer dekadischer Logarithmus der H-Ionenkonzentration/-aktivität einer Lösung  Zunahme von H+ = Versauerung // Abnahme von H+ = Alkalisierung negativer dekadischer Logarithmus der H+-Ionenkonzentration/-aktivität einer Lösung z.B. Bodenlösung (gH+/l) beruht auf den Gehalt des Bodens an: 1. austauschbaren/dissoziationsfähigen H+ 2. austauschbaren Al3+-Ionen (Al-Ionen erst ab pH < 5) es gilt: pH = - log [H+] d.h. [H] = 10-3: pH = 3 Messung des pH-Werts erfolgt meist in Aufschlämmung von 1 Teil Boden in 2,5 Teilen Lösung - Wasser - 0,01 M CaCl2(oder 0,1 M KCl) pH-Werte in Böden liegen meist zwischen 3 und 8 Messgeräte zur Bestimmung des pH-Wertes der Bodenlösung  pH-Meter

Pufferfähigkeit von Böden:  Pufferung ist das Bestreben eines Systems, den pH-Wert konstant zu halten bei Zufuhr von H+ oder OH—Ionen  empfindliche Reaktion von Pflanzen und Bodenorganismen bei plötzlichen Änderungen des pH-Wertes  Pufferungsfähigkeit eines Bodens in erster Linie bestimmt von Kationenaustauschkapazität und von der Basensättigung eines Bodens  Böden Fähigkeit im Bodenwasser suspendierte oder gelöste Stoffe zu filtern  Stoffe einer Wirkung auf Bodenorganismen und Pflanzenwurzeln sowie einer Bewegung in Grundwasser oder benachbarte Gewässer entzogen  können folgende Stoffe sein: Stoffe, die der Boden selbst enthält, (z.B. Tonminerale), Lösungsprodukte chemischer Verwitterung (anorg. An- und Kationen), Stoffe aus der Zersetzung und Humifizierung (anorg. Ionen, gelöste und feste organische Verbindungen), Stoffe, die von außen zugeführt werden – als trockene (Staub) und nasse atmosphärische Deposition sowie im Rahmen landwirtschaftl. Nutzung (z.B. Düngesalze, Pestizide)  Filterung kann erfolgen: rein mechanisch im Porensystem des Bodens, physikochemisch an den aktiven Oberflächen der feinsten Bodenbestandteile (v.a. Ton und Humus), chemisch durch Bildung kaum wasserlöslicher Verbindungen, biologisch durch Abbau  mechanische Rückhaltung  Filterung  Adsorption an Bodenaustauscher oder chemische Fällung  Pufferung  Umwandlung oder Abbau  Transformation  abhängig von Eigenschaften der Stoffe und den der Böden  im Boden wirken verschiedene Puffersysteme, die H+-Ionen reversibel oder irreversibel (verbrauchen) und damit den pH-Wert stabilisieren können  pH-Wert wird auf einem bestimmten Niveau gehalten, bis die Puffersubstanz verbraucht wird

ULRICH et al. (1979) Unterscheidung in fünf Pufferbereiche, die in relativ abgegrenzten pH-Bereichen wirksam sind:



Puffersysteme Carbonate

pH-Bereiche der Pufferung 8 - 6,5

Silicate

7-5

Austauscher (mit variabler Ladung)

6-4

Aluminium

4-3

Eisen 



>3

Bodenchemische Veränderung Verlust von CaCO3 als Ca (HCO3)2 > Entkalkung Freisetzung von Kationen, Tonmineralbildung Al3+- Tonen aus den Tonmineralien freigesetzt > Veränderung von austauschbaren Kationen Verstärkte Freisetzung von Al3+, restliche Nährstoffe ausgewachsen Fe-Oxide werden gelöst

spezifische Bindung (Schlüssel-Schloss-Prinzip): Anlagerung von Kalium und Ammonium in spezielle Bindungsplätze einiger Tonminerale feste Bindung in den Schichten  Freisetzung, wenn die Konzentration in der Bodenlösung stark absinkt d.h. keine unspezifisch gebundenen Nährstoffe sind mehr an Oberfläche der Tonminerale vorhanden unspezifische Adsorption: Adsorption von Kationen (z.B. Ca2+, Mg2+, K+, Na+) an der Oberfläche der Bodenmatrix oder an der organischen Substanz Adsorption nur aufgrund von Ladungsunterschieden – reversibel besonders hoch in Böden mit hohem Tongehalt und in humosen Böden

Bodenkolloide:          

Korngrößenfraktion der Böden mit einem Teilchendurchmesser < 2 µm wegen der elektrostatischen Oberflächen besondere physikalisch-chemische Eigenschaften sind fein verteilte Bodenteilchen mit überwiegend n%egativer Ladung binden vorwiegend Kationen und nur wenige Anionen wegen geringen Anionen-Bindungskapazität Anionen in Lösung und können ausgewaschen werden - stetiger Nachschub aus der flüssigen Phase des Bodens wichtigste Bodenkolloide: Tonminerale, Huminstoffe und Sesquioxide fungieren als Ionenspeicher- und Puffer stellen den Großteil der bodenbürtigen Austauscher unterliegen im Soll-Zustand wegen ihrer Dispersionsfähigkeit leicht Verlagerungsprozessen bei steigenden Elektrolytgehalt Entladung, Zusammenballung zu Aggregaten und Ausflockung – Gel-Zustand

Gesteine:  

sind feste oder lockere, natürliche Mineralgemenge der festen Erdkruste drei Hauptentstehungsarten: Erstarrung der Gesteinsschmelze (Magmatismus) Sedimentation im Meer oder auf dem Festland

Umwandlung unter Druck- und Hitzeeinwirkung (Metamorphose)

Magmatische Gesteine: Basalt, Granit Sedimentgesteine:

Trümmersedimente (Ablagerung von festem Verwitterungsmaterial), z.B. Ton, Sand, Kies, Löß Chemische Sedimente (Ausscheidung von Verbindungen aus Lösungen), z.B. Steinsalz, Kalkstein, Dolomit Organogene Sedimente (Anhäufung anorganischer Reste von Organismen), z.B. Muschelkalk, Kreide, Riffkalk Organische Sedimente (Anhäufung von organischer Substanz der Organismen), z.B. Erdöl, Erdgas, Torf, Braunkohle, Steinkohle

Syroseme:

Bodenbildende Prozesse: 1. Verwitterung und Mineralbildung    

Kryoklastik Verbraunung und Verlehmung Ferralitisierung und Desilifizierung Temperatur- und Salzsprengung

2. Bildung von Humusformen 3. Gefügebildung 4. Umlagerung im Profil   

Tonverlagerung Podsolierung Carbonatisierung

5. Versalzung 6. Redoximorphose     

Reduktomorphie und Sulfidbildung Konkretionsbildung und Rostfleckung Vergleyung Pseudovergleyung Schwefelsäurebildung

7. Turbationen 8. Stoffumlagerungen in der Landschaft 9. Profildifferenzierung

Verwitterung:    

für Bodenbildung grundlegender Prozess der Mineral-/ und Gesteinszerstörung durch exogene Kräfte Umwandlung des ursprünglichen Gesteins- und Mineralbestandes entsteht die anorganisch-mineralische Feststoffphase der Böden Einteilung in physikalische, chemische & biochemische Verwitterung

Physikalische Verwitterung:   

dominierender Prozess in der Frostschutzzone der Polargebiete bzw. Hochgebirge sowie in ariden, semiariden bis semihumiden Gebieten Gesteine und Minerale zerfallen in kleinere Teilchen, ohne chemische Veränderung der Minerale Unterscheidung in:

Frostsprengung, Salzsprengung, Insolations- /Temperaturverwitterung, Druckentlastung, Wurzelsprengung

Frostsprengung (Kryoklastik): • durch Gefrieren vom Wasser im Kluftsystem der Gesteine • durch Volumenausdehnung um ~9 % Sprengwirkung in Gesteinsspalten und –rissen • besonders anfällig klüftige Gesteine und Minerale mit guter Spaltbarkeit wie Glimmer und Feldspäte, aber auch Quarz • besonders wirksam bei häufigen Frostwechsel (tropische Hochgebirge, Periglazialgebiete) Salzsprengung:    

ebenfalls Prinzip der Volumenzunahme hygroskopische Salze nicht ausgewaschen, sondern bei Verdunstung des Wassers angereichert in Gesteinen Quellung bei Wiederbefeuchtung  hoher Druck, Erweiterung der Klüfte bedeutend in ariden Gebieten (Wärme- und Kältewüsten)

Insolations-/Temperaturverwitterung:     

starke Temperaturschwankungen bei starker Tageserwärmung unterschiedl. Ausdehnung der Minerale eines Gesteines, nachts unterschiedl. Zusammenziehen Spannungen zwischen hellen und dunklen Mineralien, beschatteten und nicht beschatteten Gestein und Temperaturun...