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Bodenkunde l - Dr. Michalzik –

Pedosphäre = Grenz- & Überschneidungsbereich versch. Sphären: Lithoshäre, Atmosphäre, Biosphäre (Flora & Fauna) Hydrosphäre (Oberflächen- & Grundwasser), Anthroposphäre (Nutzung) Boden =

- Teil der Pedosphäre, von Erdoberfläche bis unverwittertes Gestein

Anmoorig = mind. 15% org. Substanz Moore -> hauptsächlich in Subpolargebieten (Schmelzen des Permafrostbodens)

Funktionen von Böden Lebensraumfunktionen  Regelungsfunktionen 

Standortsfunktionen Produktionsfunktionen Geschichtliche Funktionen

Bodenbildungsraten § Liegen zwischen 0,02 und 0,2 mm/a, max. 0,5 mm/a § Bei 0,1mm/a Neubildung braucht der Boden 10.000 Jahre um 1m Boden zu entwickeln (ohne Erosion) Bodenabtrag § Problematisch, max. 1t/ha/a sind langfristig tolerierbar § Gegenwärtig gehen aber (bspw. auf Ackerstandorten) bis zu 20t/ha/a an Boden verloren -> entspricht 1,3 mm Abtrag pro Jahr

Bodeneigenschaften limitieren die Nutzung -> nur 11% für Landwirtschaft geeigneten Boden Bodendegradation = Einschränkungen in den Funktionen von Böden Anthropogen durch physikalische, chemische oder biotische Prozesse verursacht, welche die Belastbarkeit der jeweiligen Systeme überschreiten Dauerhafte Veränderungen ->mit großem menschlichen Aufwand reversibel Irreversible Veränderungen -> durch natürliche Regenerationsmechanismen bodenintern nicht ausgleichbar; -> sondern nur durch unangemessenen, d.h. ökologisch und/ oder ökonomisch nicht vertretbarem, externen Einsatz von Energie und Rohstoffen -> oder generell nicht mehr ausgleichbar 56% Erosion durch Wasser, 28% Erosion durch Wind, 12% chemische Degradation, 4% physikalische Degradation

Klima als entscheidender Faktor – Unterscheidung in: •

•

•

Zonale Böden Böden mit Klima und Vegetation als vorherrschende Faktoren der Bodenentwicklung (z.B. Tundra-, Taiga-, Laubwald-, Steppen-, Wüsten- und Tropenboden) Intrazonale Böden Böden, bei denen, Gesteins- und Reliefeinflüsse vorherrschen (Kalk-, Salz-, Grundwasserböden) Azonale Böden junge Böden mit schwacher Profildifferenzierung (Rohböden, erodierte Böden, kolluviale und alluviale Böden)

Verwitterungsprozesse Relative Verwitterungsgeschwindigkeit Ø z.B. Hämatit, Quarz, Tonminerale relativ verwitterungsstabil, verwittern daher langsam Ø z.B. Olivin, Calcit, Halit (Steinsalz) relativ verwitterungsinstabil, verwittern daher schnell witterungsbeständig – bleiben lange im Boden witterungsstabil – Anreichung witterungsinstabil – Abreicherung Schnelle Verwitterung / geringe Verwitterungsstabilität des Ausgangsmaterials begünstigt eine zügige Bodenneubildung Bodenneubildungsrate -> Rate der jährl. Bodenneubildung äußerst gering Bsp.: Schweizer Mittelland (Moränenmaterial) Jura – Kalk Mergel Löss

0,10mm/Jahr 0,02 – 0,05 mm/Jahr 0,05 – 0,1 mm/Jahr 0,15 – 0,2 mm/Jahr

Bodenneubildungsrate = 0,1 mm/Jahr -> 10.000 Jahr für Bodenmächtigkeit von 1 Meter

Anorganische Bestandteile der Gesteine

Magmatite -

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-

Vulkanite (Ergussgesteine, Effusivgesteine) -> schnelle Abkühlung von Magma (an Oberfläche/oberflächennah) -> schnelle Auskristallisation -> Ausbildung feinkristalliner Struktur (z.B. Basalt) Ganggesteine (Subvulkanite) -> relativ langsame Abkühlung von Magma in Gängen (Aufstiegskanälen) -> große, gut ausgebildete Kristalle in feinkörniger Grundmasse, weisen Merkmal von Pultoniten & Vulkaniten auf) Plutonite (Tiefengesteine, Intrusivgesteine) -> sehr langsame Abkühlung von Magma (in größerer Tiefe) -> durch Auskristallisation grobkristalline Struktur (z.B. Granit)

Sedimentgestein (Sedimentite) Ø Entstanden durch diagenetische Verfestigung von Lockersedimenten bei niedrigen Drücken & Temperaturen Ø Diagenese = mit Volumenverminderung (Kompaktion durch z.B. Entwässerung) und/oder Einlagerung eines Bindemittels verbunden Nach Art des unverfestigten Ausgangsmaterials: Klastische Sedimente = mechanisch transportiertes Material diagentische Verfestigung von zertrümmerten/ verwitterten Gesteinen z.B. Sandstein, Schluffstein, Tonstein, Tonschiefer Chemische Sedimente = (chemische) Ausfällungen durch Ausfällung von im Wasser gelösten karbonatischen Mineralen z.B. Kalkstein, Dolomit, Gips/Anhydrit, Steinsalz Organogene/biogene Sedimente = Fossilien aus Hart- & Weichteilen von Organismen z.B. Riffkalkstein, Steinkohle, Braunkohle, Ölschiefer

Metmorphe Gesteine (Metamorphite) Ø Gesteinsumwandlung v. Sedimentiten/Magmatite (Temperatur- und/oder Druckerhöhung) Ø Prozess der Metamorphose (ab Druckca. 200˚C) àNeubildung von Mineralen, die unter veränderten Bedingungen stabiler sind als älteren Orthometamorphite -> aus Magmatiten (z.B. Orthogneis) Parametamophite -> aus Sedimentgestein (z.B. Marmor, Paragneis)

Gesteine = natürliche Bildungen in Erdkruste Bestehend aus älteren Gesteinen, Mineralen, Mineralbruchstücke und/oder Organismenresten Minerale Wesentliche gesteinsbildene Mineralgruppen: 1. Primäre Silikate (Salze der Kieselsäure H4SiO4; 91% der Erdkruste) Kristalle (z.B. Würfel, Oktaeder etc.) – homogene Körper mit geometrisch regelmäßiger Anordnung der atomaren Bausteine Kristallgitter durch Kristallisation aus Flüssigkeit

(Olivine) (Pyroxene) (Amphibole) (Glimmer) (Feldspäte)   Isomorpher Ersatz = negative Überschussladung durch Austausch des Ions in der Mitte Kationen (positiv geladen) docken sich an -> wichtig für Pflanzen: Nährstoffe (Kationen) werden im Boden gehalten statt durch Wasser wegtransportiert -> H+ (sauer) kann angelagert werden -> Veränderung pH-Wert je nach Verknüpfungsgrad -> Ausbildung typischer Strukturen

2. Oxide und Hydroxide (Verbindungen mit Silizium (Si) & Metallen mit Sauerstoff (O) bzw. OH-Gruppen ) - Siliziumoxide (Quarz)  - Eisenoxide (Goethit, Hämatit)  3. Carbonate, Sulfate, Phosphate (Salze d. Kohlen- H2CO3, Schwefel- H2SO4, & Phosphorsäure H3PO4) - Carbonate (Kalkspat, Dolomit)  - Sulfate (Gips) Kristalle (z.B. Würfel, Oktaeder etc.) – homogene Körper mit geometrisch regelmäßiger Anordnung der atomaren Bausteine Kristallgitter Entstehen durch Kristallisation aus einer Flüssigkeit Die beiden häufigsten Elemente in der Erdkruste sind Sauerstoff und Silizium

Verwitterung = Ausbreitung, Veränderung, Zerstörung & Umwandlung von Gesteinen und Mineralen oft Voraussetzung für Abtragung, Umlagerung von Material, Bodenbildung & Pflanzenwachstum

Physikalische Verwitterung = alle Verwitterungsprozesse, die zu einer mechanischen Zertrümmerung des Gesteins führen ohne stoffliche bzw. chemische Veränderung des Gesteins 1. Frostverwitterung (mittelbare Temperaturverwitterung, Regelationsverwitterung) o Sprengung des Gesteins durch Volumenzunahme (9%) des Wassers beim Gefrieren in Spalten, Klüften und Poren o < -,5˚C (Druckerwärmungseffekt überwunden), max. Ausdehnung bei -25˚C o oberflächennah, besonders wirksam in Regionen mit häufigen (tägl.) Schwankungen der Temperatur um den Gefrierpunkt 2. Insolationsverwitterung (Unmittelbare Temperaturverwitterung) o Zertrümmerung des Gesteins durch starke Temperaturwechsel (insb. Tag&Nacht) o Basierend auf unterschiedl. Ausdehnungskoeffizienten der Minerale bei Erwärmung o Desquamation: schuppenförmige Ablösung o Abgrusung: Zerfallen in einzelne Mineralkörper o Exfolation: Ablösung von oberflächenparallen Schalen o Insb. In Wüsten, Halbwüsten & vegetatiosnfreien Hochgebirgsstufen 3. Salzverwitterung (Salzsprengung) o nur wirksam, wenn (ausreichend) Wasser vorhanden o Volumenzunahme durch Auskristallisation von Salzen nach Verdunstung von Wasser in Spaten, Klüften oder Gesteinsporen o häufig in Kombination mit der Hydratation (chemische V.), wenn es bei der erneuten Befeuchtung von Salzen durch Anlagerung von Wassermolekülen an Oberflächen oder deren Einlagerung in das Kristallgitter zu einer Volumenzunahme kommt. o in ariden bis subhumiden Klimaregionen 4. Wurzelsprengung o Mechanische Beanspruchung & Lockerung von Gesteinsmaterial durch Dickenwachstum und Wurzeldruck von Pflanzen

Chemische Verwitterung = alle Verwitterungsprozesse, die mit einer Aufbereitung des Gesteins durch Lösung & stoffliche Umwandlung durch Wasser und im Wasser enthaltene Säuren verbunden sind æ Intensität nimmt mit steigendem pH-Wert, Temperatur & Gesteinsoberflächengröße zu 1. Hydratation & Lösungsverwitterung o Lockerung des Gesteins durch Anlagerung von Wassermolekülen (Dipolen); Veränderung der chem. Bindungen im Kristall -> Gesteinsoberfläche gelockert ohne Änderung des Stoffbestands o Lösung leichlöslicher Salze durch Hydratation = Lösungsverwitterung o Wichtig für Böden aus Gipsgestein, Salzböden & in ariden Gebieten 2. Hydrolyse o Reaktion der Mineralbestandteile auf H+ und OH- Ionen des dissozierten Wasser æ Aufnahme von H+ Ionen im Austausch mit anderen Ionen æ Wichtigste Reaktion der chemischen Verwitterung Kali-feldspat + Wasser » H-Feldspat + Kalium + Hydroxid a) H+ Ionen kommen in Kontakt mit einem Kristall, das an der Oberfläche Kationen besitzt (hellgrün, dunkelgrün) b) Die H+ Ionen ersetzen die Kationen, welche in die Lösung gehen c) Anionen, deren Bindung im Gitter damit weiter verschlechtert ist, gehen ebenfalls in die Lösung. Die Kationen gehen neue Bindungen (z.B. mit OH- Ionen) ein

3. Protolyse (Säurelösung, Kohlensäureverwitterung) o Läuft intensiver ab als Hydrolyse mit reinem Wasser (H+ Ionen v.a. von schwacher Kohlensäure stammend) o Fortführung & Verstärkung der Lösungsverwitterung durch im Wasser vorhandene Kohlensäure o Bei Carbonatgestein (Kalk, Dolomit, Marmor) -> Umwandlung der Karbonate in leicht lösliche Bikarbonate o Abhängig von CO2-Partialdruck der Atmosphäre o Entkalkung wichtige Prozess in Böden -> Säurepufferungsreaktion (H+ verbraucht) o Je kleiner der pH-Wert (desto höher H+ Konzentration), desto stärker Verwitterung!!! o Weitere biogene Säurequellen: o Kohlensäure aus der Bodenatmung, o Schwefelsäure durch bakterielle Sulfidoxidation, o organische Säuren durch Wurzelausscheidungen, o Salpetersäure durch Nitrifikation -> hier Verknüpung von biologisch-chemischen Prozessen 4. Oxidation o Aufnahme von (vor allem im Wasser gelösten) Luftsauerstoff und Gefügeveränderungen durch Oxydation von im Kristallgitter von Silikatmineralen enthaltenen Metallen (insbesondere Fe2+ und Mn2+) o durch Anlagerung: Volumenvergrößerung (Kristallgitterauflockerung) o gleichzeitig auch Entstehung bzw. Freisetzung von H+ 5. Komplexierung & Chelatbildung o Heraustrennung von Metallionen aus Feststoffen durch Bindung an organische Säuren o Quelle organischer Verbindungen: entstehen bei mikrobiellem Abbau der Streu, erzeugt durch Mikroflora und -fauna Verwitterung kann nur ablaufen, wenn die Verwitterungsprodukte durch Ausfällung oder Auswaschung aus dem Gleichgewicht genommen werden, und das Reaktionsgleichgewicht permanent gestört wird !! Verwitterungsintensität: æ Physikalische Verwitterung umso intensiver, je stärker Temperaturgradient und häufiger Temperaturwechsel æ Chemische Verwitterung umso intensiver, je stärker durchfeuchtet, je wärmer und je höher die H+ -Ionen-Konzentration und spezifische Oberfläche (Korngröße) sind è Klimaabhängigkeit der Verwitterungsintensität: - Physikalische Verwitterung am stärksten in tropischen Hochgebirgen (tägl. Frostwechsel) - Chemische Verwitterung am stärksten in immerfeuchten Tropen

Bodenbestandteile Mineralische Bestandteile • Ausgangssubstanzen der Bodenbildung sind feste und lockere oberflächennahe Gesteine und deren Minerale • Verwitterung führt zum Zerfall und Abbau, gleichzeitig erfolgt durch Verwitterung eine Mineralneubildung (Tonmineralneubildung) Organische Bestandteile • lebende Organismen der Bodenflora und Bodenfauna (Edaphon) • lebende Pflanzenwurzeln und abgestorbene organische Substanz  • organische Kolloide (= Huminstoffe, die bei der Verwesung und Umwandlung von organischen Substanzen durch Humifizierung entstehen) Bodenwasser • Haftwasser (gegen die Schwerkraft als Adsorptionswasser an der Oberfläche fester Bodenpartikel oder als Kapillarwasser im Boden festgehalten) • Sickerwasser (perkolierendes Wasser) • kapillar aufsteigendes (aszendierendes) Wasser Bodenluft

Bodenart & Körnung Die Gliederung der Bodenarten erfolgt nach der Körnung des Feinbodens. Für die Identifikation der Bodenart sind daher quantitative Angaben über die Anteile der der drei Korngrößenfraktionen notwendig. • Sand (S): 2 bis 0,63 mm (gS, mS, fS) • Schluff (U): 0,63 bis 0,002 mm (gU, mU, fU) • Ton (T): < 0,002 mm Mineralbestand -> ausschlaggebend für Bodeneigenschaften Bodenart = Körnung des Feinboden Bodentyp = nach Horizontmerkmalen Bodenform = Bodentyp über Ausgangsgestein

Tonmineralneubildung Tonminerale (TM) - wichtigste nach Verwitterung neugebildeten Silikate („sekundäre Silikate“) - Entstehung durch Ab- und Umbau von Glimmern, durch Synthese aus Silikatzerfall (v.a. Feldspäte) - kristallin, blättchenförmig, OH-haltige Al-Mg-Fe-Silikate, Ø < 2 μm, Dicke bis 50 nm, (wie Glimmer), in Tonfraktion vorkommend - hoher Anteil in Böden und Sedimenten, in Magmatiten fehlend Klassifizierung der Tonminerale Tonminerale identifizierbar durch den Schichtabstand ihrer geschichteten Elementarzellen: Elementarzelle = kleinste, sich in allen Richtungen wiederholende Einheit des Kristalls Basisabstand = Abstand zwischen den ‘unteren’ Begrenzungen von 2 aufeinander folgenden Elementarzellen Tonminerale & Huminstoffe als Austauscher Ø an der Oberfläche der geladenen Teilchen absorbierten Ionen sind gegen andere Ionen austauschbar Ø Ionenaustausch; geladene Teilchen bei negativer Ladung Kationentauscher, bei positiver Ladung Anionentauscher Ø Ionenaustauschreaktionen -> schnell, stöchiometrisch, sind reversibel

Vierschicht (2:1:1) - Minerale Chlorite: sowohl als primäre Minerale (asu Gesteinen) als auch als pedogene, sekundäre Chlorite Silikatschichten mit inselartigen Einlagerungen von Al-Hydroxidschichten in der Zwischenschicht Al nicht vollständig hydroxyliert, deshalb positive Lage, die die negative Ladung der Silikatschichten ausgleicht nicht aufweitbar, nicht austauschbar, Schichtbabstand 1,4nm

Klimaabhängigkeit

Eigenschaften der Tonminerale

Mineralneubildung Im Laufe der Verwitterung und Bodenbildung kommt es zu æ chemischen Veränderungen der Minerale æ Mineralneubildungen (฀ sekundäre Minerale) æ stabile Minerale wie Tonminerale und Fe/Al-Oxide/Hydroxide reichern sich dann an æ wichtige Rolle in bodenchemischen und -physikalischen Prozessen Oxide & Hydroxide - Infolge chemischer Verwitterung fallen bei entsprechenden Milieu- Bedingungen Oxide und Hydroxide aus der Bodenlösung aus, die durch Alterung mehr oder weniger auskristallisieren, d.h. höheren Grad der Kristallinität erreichen - schwer löslich, Endprodukte der Verwitterung: - Al-O-Si und Fe-O-Si-Bindung löst sich, Si wird ausgewaschen, da o löslicher als Fe, Al; o Freisetzung bei Verwitterung der primären Silicate, Oxidation und Ausfällung als Oxid - stets sehr kleine Korngröße (3-100 nm), Minerale der Tonfraktion (< 2 μm), große Oberfläche

Bildung von Eisen(hydr)oxiden in Abhängigkeit vom Bildungsmilieu

Kationenaustausch Ionenaustauschrekationen -> schnell, stöchiometrisch, sind reversibel Austauschkapazität des Boden -> maximale sorbierbare Ionenmenge (in Ladungsequivalenten pro Masse cmolc/kg Boden) -> aufgrund Ladungsverhältnisse (pH-abhängig) Kationenaustauschkapazität bedeutender als Anionenaustauschkapazität Kationenaustauschkapazität (KAK) æ Menge der im Boden an Tonmineralen und Huminstoffen austauschbar gebundenen Kationen (z.B. Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+, H+) æ . Ca2+, Mg2+, K+, Na+ als „austauschbare Basen“ bezeichnet æ Aussauge über das Vermögen des Bodens Nährstoffe zu binden & zu speichern æ abhängig von: o Art & Menge der Tonminerale (Fingerprobe) o Humusgehalt (Munsell-Farbskala) o pH-Wert (Stäbchentest) KAKpot (potentielle) -> maximale KAK bei einem pH-Wert von 7 (neutral) ermittelt KAKeff (effektiv) -> KAK beim aktuellen pH-Wert des Bodens ermittelt Saure Böden -> KAKpot > KAKeff Neutrale Böden -> KAKpot = KAKeff Basensättigung: BS (%) = Ca2+ + Mg2++ K+ + Na+ * 100 KAK

Bedeutung der Mineralneubildung für Bodenprozesse æ æ æ æ æ æ

können Wasser zwischen die Elementarschichten ein- oder an ihre Oberfläche anlagern Quellen/Schrumpfen -> wichtige Rolle im Wasserhaushalt aufgrund der Schichtladung durch isomorphen Ersatz, ist Ionenadsorption möglich Tonminerale sind Zwischenträger und Reservebank von positiv geladenen Nährstoffen Pufferung gegen H+ (Versauerung). aufgrund der Schichtladung und der aktiven Oberfläche Aufbau stabiler Strukturen mit Humussubstanzen ->Ton-Humus-Komplexe è Schutz des Humus vor allzu schneller Zersetzung è langsame Nährstofffreisetzung (Pflanzenernährung) è Gefügebildung (Krümelstruktur)

Organische Bodenbestandteile & Humusformen Organische Bestandteile • lebende Organismen der Bodenflora und Bodenfauna (Edaphon) • lebende Pflanzenwurzeln und abgestorbene organische Substanz  • org. Kolloide (= Huminstoffe, durch Verwesung & Umwandlung bei Humifizierung org. Substanzen

Organische Substanz im Boden (engl. soil organic matter = SOM) = alle in u. auf dem Mineralboden befindlichen pflanzlichen und tierischen Stoffe und deren Umwandlungsprodukte -> bilden ca. 85 % der organischen Bodenbestandteile ! keine lebenden Organismen: Bodenfauna & -flora (Edaphon), lebende Pflanzenwurzeln sowie Pflanzenmaterial < 2cm Durchmesser ! Unterscheidung der organischen Substanz nach Abbaugrad in: Streustoff = gut strukturiert, Herkunft erkennbar (Nadel, Blattstücke, Gewebestrukturen, Tierleichen...) Huminstoffe = amorphe organische Kolloide (< 2 μm), braun bis schwarz, humifiziert, Ab- und Umbaustoffe, große reaktive Oberfläche Organische Substanz im Bodenwasser:(< 0,45 μm) -> DOM (= dissolved organic matter) Mischung aus Lignocellulosen & mikrobiellen Syntheseprodukten, meist Polysaccharide Ca. 58% der org. Substanz ist aus C aufgebaut (40-58%), der Rest ca. 5% aus N, 0,5% aus P und 0,5% aus S (Rest aus O und H)

Ab- & Umbauprozesse 1. Biochemische Initialphase: Hydrolyse- & Oxidationsprozesse ohne sichtbare Zerstörung des Zellverbands Aufspaltung hochpolymerer Verbindungen z.B.: Stärke in Zucker, Eiweiß in Peptide/ Aminos, Phenole in Farbstoffe (Laubfärbung) 2. Mechanische Zerkleinerung Durch Makro- & Mesofauna (Regenwürmer) Zerstörung des Zellverbands durch Zernagen, Wühlen -> Einarbeitung der Streu in den Boden (Bioturbation) 3. Mikrobieller Abbau Durch Pilze, Algen, Bakterien-> enzymatische Spaltung org. Verbindungen in Grundbausteine a) Zellstoffwechsel b) Biotische Oxidation (Atmung) -> Umwandlung von org. Substanz zu CO2 und H2O + ENERGIE (Mineralisierung) -> Nährstofffreisetzung Auflageschicht (O): - Streuschicht (L oder Ol) -> Streustoffe - Vermoderungsschicht (F oder Of) - Humusstoffschicht (H oder Oh) Lignin - nicht linear, sondern sphärisch aufgebaut, wird durch Polymerisation von Ligninalkoholen gebildet - schwer abbaubar, Hauptbestandteil von Holz - Ausgangssubstanzen der Biosynthese des Lignins: Cumaralkohol, Coniferylalkohol, Sinapinalkohol, Guajacylglycerin-ß-coniferylether Kohlenhydrate - leicht abbaubar - Stärke, Zucker, Cellulose

Aminosäuren - leicht abbaubar - Aminogruppe NH2

Edaphon Edaphon =

Gesamtheit, der im Boden leben Organismen -> besitzt wichtige Funktionen für Pedogenese & Ökologie

Mikrofauna (< 0,2mm) Mesofauna (0,2-2mm) Makrofauna (2-20mm) Megafauna (> 20mm)

Bakterien, Actinomyceten, Pilze, Algen, Protozoen, Nematoden (Fadenwürmer), Viren lebt in lufterfüllten Räumen Rädertierchen, Bärtierchen, Hornmilben, Springschwänze Käferlarven, Asseln, Spinnen, Enchyträide Regenwümer, Wirbeltiere

Abhängigkeit des Stoffumsatzes & Habitatbildung von der Krpergröße der Bodenorganismen -> mikrobielle Biomase sehr bedeutsam -> bestimmen wir deshalb

Mineralisierung & Humifizierung der Streu Zersetzung = Abbau org. Substanz Mineralisierung =

vollständiger mikrobieller Abbau zu anorganischen Stoffen (CO2, H2O); dabei auch Freisetzung der in den org. Stoffen enthaltenen Pflanzennähr...