Zusammenfassung Entstehung und Eigenschaften von Böden PDF

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Grundlagen der Bodenwissenschaften Der Boden ist das Umwandungsprodukt der Lithosphäre, das sich an Ort und Stelle unter dem Einfluss von Atmosphäre und Organismen bildet oder gebildet hat. Pedosphäre: schmaler Grenzberiech der Erdoberfläche, in dem sich Lithosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre überlagern. Bodenbildungsfaktoren: - Zerkleinerung und Umwandlung des Ausgangsgesteins durch Regen und Sonne - Ansiedlung von Pflanzen, Organismen, Tieren und Mensch: Humusbildung Begriffe: Schicht Lagen von einheitlichen Ausgangsgestein Horizont Lagen mit gleichen Merkmalen, die durch bodenbildende Prozesse entstanden Bodentyp Gekennzeichnet durch Kombinationen von Horizontentypische Eigenschaften Funktionen: 1. Lebensraum für Bodenorganismen - Feinporen 10µm): Wurzeln, Neumatoden, Milben, vollembolen, restliche Fauna 2. Filter und Puffer (auch giftige Stoffe) 3. Bestandteil im C-Kreislauf 4. Standort für land- und forstwirtschaftliche Nutzung, Siedlungen, Rohstofflagerflächen… Folgen der Nutzung -Versiegelung ->Abwassersystem - Schadstoffeinträge, Mineralöle, MetalleGefährdung Grunwasser

Lava, Magma, Vulkanismus (Kap. 2)

PlattentektonikBildung von Gebirgen und Vulkanen Minerale: Natürlich vorkommende Bestandteil der Erdkruste mit einheitlicher chemischer Zusammensetzung (z.B. Quarz (SiO2), CaCO3, NaCl usw.) Eigenschaften: -Kristallstruktur, charakteristische und regelhaft Andordnung der Ionen - Härte - Spaltbarkeite, Tendenz eines Kristalls bei mechanischer Beanspruchung entlang glatter Oberflächen zu brechen -Bruch: Beschaffenheit von Bruchflächen entlang unregelmäßiger Flächen - Farbe: Strichfarbe Gesteine: Natürlich vorkommendes festes Gemenge von Mineralien, Bruchstücken von Mineralen und Gesteinen, Organismenresten (auch nicht-mineralisches Material) z.B. Sandstein, Marmor, Granit, etc.

Magmatische Gesteine:

Vulkanit

- Effusivgestein: vulkanisches Gestein- Vulkanit (Basalt) Bildet sich an Oberfläche: schnelle Abkühlung, schnelle Kristallisation, feinkörnig, Minerale oft nicht erkennbar - Intrusivgeisten: plutonisches Gestein-Plutonit (Granit = Quarz+Feldspat+Glimmer) Bildet sich in der Tiefe, langsame Abkühlung, langsame Kristallisation, grobkörnig, Minerale erkenbar -zusammen: magmatische Gesteine

Granit

Zusammensetzung magmatischer Gesteine: - hängt von Zusammensetzung der Lava ab - Differenzierung nach SiO2-Anteil - >80% der Magmatite sind Silikate und SiO2 - Anteile an Na, K, Mg, Fe, Ca wichtig für Bodenbildung: Quelle für Pflanzennährstoffe - Grundeinheit der Silikate: Si4-Tetraeder

(primäre) Silikate: Typen und Eigenschaften primäre Minerale = geogene Minerale, die nicht im Laufe der Bodenbildung chemisch verändert wurden > 80% der Magmatite sind Silikate und SiO2 Grundeinheit der Silikate: SiO4 – Tetraeder Inselsilikate Olivin (Mg, Fe)2SiO4 Verknüpfung durch Mg2+, Fe2+ grünlich, nährstoffreich Ketten- und Bandsilikate O-Atome in Ecken werden geteilt; dadurch Verknüpfung Pyroxene: Kettensilikate aus Si-Tetraeder-Ketten: Augit Amphibole: Bandsilikate aus Si-Tetraeder-Bändern: Hornblende Ketten- Bandsilikat Gerüstsilikate: Quarz dreidimensionale Verknüpfung der SiO4 – Tetraeder weißlich bis grau; Bildung am Ende der Abkühlung erkennbar am muscheligen Bruch keine Nährstoffe vorhanden

Gerüstsilikate: Feldspäte dreidimensionale Verknüpfung im Teraeder-Verband 25-50% der Tetraederzentren mit Al3+ besetzt zum Ladungsausgleich K+, Na+ oder Ca2+ in Lücken hell, glatte Spaltflächen (Verzwilligung)

Vertreter: Orthoklas (Kalifeldspat), Albit (Natriumfeldspat), Anorthit (Calciumfeldspat) Bedeutung für Böden: Nährstoffe, Verwitterung, Bildung neuer Minerale Schichtsilikate Lagen/Schichten von SiO4 – Tetraedern weitere Grundeinheit: AlO6 – Oktaeder sind auch über Ecken verknüpft, bilden auch Lagen/Schichten → alternierende Abfolge der Schichten:

(Muskovit, Dreischichtmineral 2:1) Vertreter: Muskovit, Biotit Bedeutung für Böden: Nährstoffe (aus Biotit leichter freisetzbar) Vorkommen: in magmatischen Gesteinen of Biotit, Muskovit auch in Sedimenten und metamorphen Gesteinen

Böden in Landschaften mit magmatischen Gesteinen, Verwitterung (Kap. 3) Horizontbezeichnungen A

mineralischer Oberbodenhorizont

Ah

humosoer Oberbodenhorizont

B

Unterbodenhorizont

C

Ausgangsgestein

L

Llitter: Streuauflage

O

organisch

T

Terra, sehr tonig

P

Mineralischer Unterbodenhorizont aus Tonund Tonmergelgestein, besonders im unteren Bereich grobes, in sich dichtes Prismen und Polyedergefüge

i (nachgestellt)

initial

i

Kieselig, silikatisch < 2% Carbonat

m

massiv, Festgestein

l

Lockergestein

n

neu, unverwittert

v

verwittert, verbraunt, verlehmt

s

Sesquioxide, Oxide mit Verhältnis von Sauerstoff zu Metall von 3 zu 2

e

eluvial, Auswaschungshorizont

nachgestellte Kleinbuchstaben pedogen (durch Bildungsprozesse hervorgerufen) vorgestellte Kleinbuchstaben geogen (auf natürliche Weise in der Erde entstanden)  n bis jetzt nur hinten angestellt gesehen Bodenentwicklung (auf magmatischen Gesteienen) Syrosem-Ranker-Braunerde (Kieselserie):  Besiedelung durch Flechten, Moose, Pilze beginnende Humusbildung  Beginnende Zerstörung des Gesteinverbands: Vergrusung  erster initialer Boden: Syrosem – Ai/imCn-Profil entsteht  Verwitterung primärere Minerale, Humusakkumulation  Keine weiter Differenzierung Weiterentwicklung: Ranker – Ah/imC-Profil  Differenzierung von Ober- und Unterboden  Humusakkumulation, Verwitterung primärer Minerale  Bildung von Fe-Oxiden (Verbraunung)  Bildung von Tonmineralen (Verlehmung)  Weiterentwicklung: Braunerde – Ah/Bv/Cv-Profil Festgestein Lockergestein

Grundlegende Bodenbildungsprozesse - Transformationsprozesse:  Verwitterung/Mineralneubildung  Bildung von organischer Bodensubstanz  Gefügebildung - Translokationsprozesse:  Mobilisierung-Transport-Immobilisierung (Durchsickern ins Grundwasser)

Transformationsprozesse

Verwitterung: Veränderung von Mineralen und Gesteinen durch physikalische, chemische und biologische Prozesse

Physikalische Verwitterung - Zerkleinerung des Materials (Verringerung der Korngröße) ohne chemische Veränderungrel. Vergrößerung der Oberfläche - durch Druckentlastung nach Abtrag aufliegenden Gesteins - durch Gravitation (Aufprall) - durch Abrieb bei Transport: Wasser, Gletscher, Winde - durch Temperatureinwirkung (Insolationbei Hitze dehnen isch die unterschiedlichen Materialen unterschiedlich stark aus (1. Abb. Linke Seite) oder Frostsprengung) - durch Kristallisation von Salzen (Salzsprengung in ariden Gebieten) - durch Wurzelwachstum  Vergrößerung bestehender Klüfte Chemische Voraussetzungen: Verwitterung - relativ große Oberfläche  physik. Verwitterung - Umwandlung vorher nötig - Lösung - (bio-) chemische Verwitterungsprozesse oft temp. - Transport abhängig - Ausfällung -chemische Verwitterung ist kontinuierliche wegen Abfuhr der Verwitterungsprodukte Wasser kommt und geht Ausgangsgestein  Verwitterungsrückständen + + Verwitternde Kraft Verwitterungslösung 1. Lösungsverwitterung

2. Hydrolyse Silikate - Reaktion mit Protonen (H+) (Protolyse) bzw. Hydroxidionen (OH-) - wichtigster Verwitterungsprozess in humiden Klimaten 3. Säureverwitterung

- Reaktion mit Protonen (H+) aus organischen und Mineralsäuren, dabei Abtransport mit Sickerwasser - z.B. Kalkverwitterung (CaCo3, Calcit, (Mg, Ca)CO3, Dolomit) - allgemein: CaCO3 + H+  Ca2+ + HCO3 - gibt man Säure auf kalkhaltige Böden blubbert es 4. Oxidation - Oxidation von reduzierten Spezies, z.B. Fe(II), Mn(II), S(II): - Bildung neuer Phasen und Versauerung - z.B. Pyritoxidation, Oxidiation von Olivin, Oxidation von Amphibol Chemische Verwitterung abhängig von: Wasserlöslichkeit: leichtlösliche Salze< Gips< Calcit< Dolomit Struktur der Silikate: Insel< Ketten< Blatt< Gerüst (Feldspäte< Quarz) Fe(II)-Gehalt: Biotit< Muskovit Silikate: Olivin< Pyroxen< Amphibol< Biotitt< Muskovit = Orthoklas Ca2+ > Mg2+ > NH4+ = K+ > Na+

Anionenadsorption Wichtige Anionen: Cl-, NO3-, SO42-, PO43-, organische Anion - Ladung der Anionen - Konzentration des Anions in der Bodenlösung (auch der konkurrirenden Anionen) - Gehalte und eigenschaften der Absorbenten im Boden, insbes. Gehalte an Oxiden und Allophan

- pH-Wert: Adsorption steigt im Sauren - bildungsmechanismus gilt auch für Kationen Äußerphärische Adsorption: - rein elektrostatisch - Positive Ladung am Austauscher zieht Anion an (Doppelschicht) - keine chemische Reaktion mit Bestandteilen der Oberfläche, Wasserschicht/Hydrathülle vorhanden - Ladung des Anions entscheidend - v.a. im stark sauren Bereich, da dann positive Ladungen  Gefahr: Nitrat wird nicht im Boden gebunden und sickert ins Grundwasser Innersphärische Adsorption: - echte chemische Bindung an (Hydr)oxidoberflächen über Liganden - stärkere Bindung als bei äußerphärischer Adsorption - nur bei bestimmten Ionen mit hoher Affinität zu (Hydr)oxidoberflächen

PO43- nicht zugänglich für Pflanze, da zu stark gebunden

Organische Bodensubstanz/Humus (Kap. 6) Definition: - alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe und deren Umwandlungsprodukte (Edaphon gehört nicht dazu) - organische Substanz mit Mineralkörper vermischt - im Bodenwasser gelöste organische Substanz - Zusammensetzung der OBS: C (50%), H; O, N, S, und P (nicht so wichtig)

Böden

Bezeichnung

Org. Substanz (g/kg)

Ackerböden Grünlandböden Waldböden: Mineralböden Waldböden: Mineralböden Moore Hochmoore

Schwach humos Mäßig humos Stark humos Auflage Moorig Moorig

300 Nahe 1000

Primärressourcen (beieinflussbar durch Bewirtschaftung):  Laub, Wurzeln (Bestandsabfall)

- Erträge werden abgeführt ial zur Humusbildung - pflügen nicht förderlich für ung

 Ernterrückstände  Dünger Sekunderresourcen (nicht direkt beeinflussbar):  Mikrobielle Produkte  Mikrobielle Reste Lignin (in verholzten Zellwänden) nur abbaubar mit O2.--> schwer abbaubar.

Humifizierung und Mineralisierung bei der Bodenbildung Humifizierung und Mineralisierung sind Stoffumwandlungsprozesse bei der Bodenbildung, wobei Humifizierung den Mechanismus der Zersetzung der abgestorbenen organischen Substanz im Boden und die Bildung von Huminstoffen und Mineralisierung den endgültigen Abbau von Humus zu mineralischen Endprodukten (z.B: CO2, NH3, PO4, H2O) unter Freisetzung von Energie kennzeichnet. Zwischen Humifizierung und Mineralisierung besteht ein standorttypisches Wechselspiel, das letztlich von klimatischen Faktoren gesteuert wird. Die Intensität beider Prozesse hängt u. a. von der Zusammensetzung der organischen Ausgangssubstanz, vom Feuchte- und Wärmedargebot, von der Durchlüftung und der Bodenreaktion ab. Humifizierung - biologische, mikrobielle oder chemische Umwandlung organischer Reste zu Humus, also der Fraktion, die am besten gegen Abbau geschützt ist. - „Humus“ bzw. Huminstoffe sind umgewandelte organische Substanzen Stabilisierung - generelle Bezeichnung für Prozesse und Mechanismen, die Abbau der organischen Substanz im Boden verlangsamen  Akkumulation (Anhäufung) von organischer Substanz im Boden bei verlangsamtem Abbau stabilisierte organisch Substanz (älter) Prozesse der Stabilisierung 1. Durch Rekalzitranz - verzögerter Abbau aufgrund molekularer Eigenschaften - C-C Bindung, aromatische Polymere, andere Aromaten

2. Bindung an die Mineralphase - Interaktion von organischen substanzen mit Mineralien oder Metallionen - besonders mikrobielle Polysaccharide, Proteine, z.T. auch Alkylverbindungen - üblicherweise Anreicherung von OS in der Tonfraktion von Böden - dort enges C/N Verhältnis (~10) (N-Speicherung) - nicht mit Mineralien assoziiert 3. Erhalt durch verringerte räumliche Zugänglichkeit - räumliche Lage organischer Substanz im Boden beeinflusst die Zugänglichkeit für die Organismen und Enzymen, z.B: in Aggregaten

Eigenschaften stabiliesierter organischer Substanz  Teilweise hochmolekulare org. Verbindungen  Meist dunkle Farbe  Teilchen von geringer Größe ( 30 - Weiterentwicklung aus Braunerde bei starker Versauerung (Rohhumus notwendig) - neben Transformationsprozessen auch Translokation: Entstehung eines Podsols (russ. Boden unter Asche) Podsolierung - umfasst die Sauerbleichung des Oberbodens (Ae-Horizont), findet bei niedrigem (saurem) pH Wert (65%) durch CLR; Tonminerale und Goethit -Ah und Tv sind carbonatfrei, d.h. 90% 99% des Carbonatgesteins sind im Lauf der Bodenbildung aufgelöst worden - für 1m Terra fusca sind mind. 5m Kalkstein gelöst  Absenkung der Landoberfläche

- mäßig sauer, stark aggregiert (Polyeder) - mäßig sauer - ca. 5mm – 30 cm CLR in 10000a - mächtige sind 200-300 Ta alt

Bodenbildung auf Ton- und Sandstein - physik. Eigenschaft (Korngröße) macht den Bodentyp aus - Pelosole können Carbonate enthalten oder carbonatfrei sein -Ah/P/C, P-Horizont mit mind 45% Ton Pelosole- bodenbildende Prozesse: - physikalische und chemische Verwitterung - Humusakkumulation - Dominanz physical. Prozesse: Frostverwitterung schafft Klüfte, dadurch Durchfeuchtung (Quellen) und Austrockunung (Schrumpfen) - Gesteinsgefüge lockert sich, Entkalkung kann beginnen - Pelotubation: Vermischen von Ober- und Unterboden durch Quellen und Schrumpfen; Einarbeiten von organischer Substanz (Selbstmulchen) - Tonplättchen bilden in feuchten Zustand kohärente (zusammenhängende) Masse, beim Austrocknen Schwundrisse - charakteristisches Gefüge bildet sich aus: polyedrisches (vielflächiges) Gefüge im P-Horizont, Prismenfgefüge (Rissgefüge) im Unterboden; abhängig von Durchfeuchtungsdauer - vor allem in Süd- und Mitteldeutschland in Schichtstufenlandschaften des Röt, unteren Muschelkalks, Keuper, Lias und Dogger - auf weichen, rasch verwitternden, teils gipsführenden Tongesteinen, dolomitischen Mergelkalken und Kalkbänken - Tongesteine bilden häufig Steilhänge unter dem Schutz von Sandstein- und Mergelkalkhärtlingen - behalten Gesteinsfarbe, oft keine Änderung bei Pedogenese (Bodenentwicklung) - Bodenart: tonige Lehme und Tone - können verhärten; Luftmangel; geringe Grobporenanteile - Minutenböden, nur kurzfristige Bearbeitung möglich

- Speicherkapazität für pflanzenverfügbares Wasser gering: viele Feinporen, geringe Wasserleirfähigkeit Bodenbildung auf Sandstein - analog zur Kieselserie: cabonatarmes/freies, silikatisches, quarzreiches Ausgangsgestein - Böden der Kieselserie bilden sich auf allen silikatischen Ausgangsgesteinen (kieselige Sedimente, Metamorphite und Magmatite)

Gefüge (Kap.9) Aggreagtionsmechanismen Räumliche Anordnung der festen mineralische und organischen Bodenbestandteilen wegen physikalisch-chemischen Ursachen: - van-der-Waals-Kräfte - Coulomb-Kräfte - Dipolkräfte (H2O) - Ionenbindungskräfte Summenwirkung der Aggregierunsmechanismen 1. Feinmaterial haftet bzw. umhüllt grobe Teilchen 2. Feinmaterial verbindet/verkittet grobe Teilchen 3. Wassermenisken verbinden Teilchen  Zusammenhalt der Bodenteilchen: Tonminerale, OBS, Oxide, Organismen (EPS), Wurzeln  Einzelpartikel Aggregate

Rest von Gefügeformen aus PPT drucken und Skript dazu anschauen

Glaziallandschaften (Kap. 10) Glazial = gletscherbedeckte Gebiete Periglazial = nicht von Gletschern bedeckt, aber von Kaltzeiten beeinflusst Entstehung von Kaltzeiten: - Kontinentaldrift - Zurkulationsänderung, Vulkanausbruch - periodische Schwankungen der Sonneneinstrahlung Grundmoräne= an der Gletschersohle, besteht aus dem vom Gletscher an der Sohle erodierten und mitgeführten Material; - bildet je nach Mächtigkeit des Geschiebelehms ein flachwelliges bis kuppliges Relief Endmoräne= vor dem Gletscher, kennzeichnet den weitesten, längere Zeit stationären Vorstoß der Eismasse - bildet nach Abschmelzen des Gletschers meist markante, parallel zum Eisrand verlaufende Wälle oder Höhenzüge Moränen: bewaldetes Gebiet Sander: gut geeignet für Ackerflächen, da Gletscherflüsse nur Tonminerale mit nehmen und kein Gestein Periglazialgebiete  Permafrost: dauerhaft gefrorener Boden mit sommerlicher Auftauschicht  Auftauschicht wassergesättigt, da keine Pflanzen vorhanden sind und kaum Verdunstung  Boden fließt von oben in Senken ab 2° Neigung Jungmoräne kommt nicht so weit wie Altmorgäne  Jungmoränenlandschaft: glazialer Formenschatz erhalten, hügeliges Relief  Altmoränenlansschaft: glazialer Formenschatz, aber durch Permafrost abgeflacht Löss -Kaltzeiten auch trocken spärliche Vegitation in Perglazialgebiet Winderosion - Löss ist äolische Sediment: 40-60% Grobschluff, 10-20% Ton (->Puffersubstanz) - gelbbraun-gelblich; 60-80% Quarz, 8-20% Kalk, Feldspäte, Tonminerale - wichtiges bodenbildendes Substrat - entkalkter Löss: Lösslehm Sehr angenehme Bedingungen - Mächtigkeit kann mehrer Meter betragen -Sandlöss: gröberer Löss, Sand 15-20%

Löss

Geschiebemergel

Lockersedimente carbonathaltig Pleistozän (jung) Ebene bis hügelige Lagen Gut sortiert Schlecht sortiert Vorwiegend Schluff Alle Korngrößen Äolisch (durch Windeinwirkung entstanden) Glazig (vom Eis geschaffen) Periglazialer Raum Glazigen Gletscherbereich

Bodenbildung auf Löss und Geschiebemergel: - Mergelserie (Sedimente mit 25-75% Kalk) - bodenbildende Prozesse:  Physik. Verwitterung  Entkalkung  Humusakkumulation  Gefügebildung  Tonverlagerung (Lessivierung) Pararendzina - Ah/eC (e: mergelig, 2- MNIV > FeIII > SO42- > CO2 > H+ Redoxpotential sinkt  Solange eine bestimmter Elektronenakzeptor im Boden vorhanden ist, wirkt er als Redoxpuffer  Das Redoxpotential bleibt im für diesen Akzeptor spezifischen Bereich und sinkt erst weiter ab, wenn der Akzeptor verbraucht ist

Hydromorphe Böden = Böden, die Wasserschuss anzeigen Grundwasser Stets vorhanden, obgleich Spiegel schwanken; bewegt sich entlang von Gefälls- und Druckgradienten; strömt häufig lateral über weite Strecken Stauwasser - Wasser, das im Boden gewöhnlich zwischen 0-130 cm unter Grundoberfläche über einem dichten Staukörper oder in dichten, grobporenarmen Horizonten langsam fließt - Stauwasser ist Sonderfall des Grundwassers; nur periodisch vorhanden, geringe laterale Bewegung - hydromorphe Böden werden von Redoxprozessen geprägt, die von Grund- bzw. Stauwasser ausgelöst werden Gleye Horizontfolge Ah/Go/Gr  Hoch anstehendes sauerstoffarmes Grundwasser Redoxprozesse, die den Boden prägen  Grundwasserspiegel schwankt 30 -100 cm unterer der Erdoberfläche, der Kapillarwassersaum liegt 20 – 40 cm unter der Erdoberfläche  G: Mineralhorizont mit Grunwassereinfluss Go-Horizont

- durch Luftkontakt beeinflusster Oxidationshorizont - Akkumulation von Eisein(III)-Oxiden  rostbraun gefärbt - gibt in der Regel Oberkante des Grundwasserschwankungsbereichs wieder Gr-Horizont - fahlgrauer, blaugrauer oder auch graugrüner Reduktionshorizont - mehr als 300 Tage nass  Nassbleichung - bildet die Bodentiefe ab, in der das Grundwasser regelmäßig ansteht

Subtypen der Gleye - höheres GrundwasserniveauWassersättigung und Sauerstoffmangel im Oberboden behindern den Abbau der organischen Bodensubstanz  erhöhte Humusgehalte im Oberboden, Go tritt zurück, da Grundwasser oft bis in den Oberboden reicht Bildung von Nassgley, Anmoorgley und Moorgley Verbreitung - an Grundwasser gebunden:  Tälern von Fließwässern  flächenhafter Grundwassereinfluss in Gebieten mit hoch anstehendem Grundwasser nasse Standorte - weitere ökol. Eigenschaften stark von Ausgangsgestein abhängig Primäre Pseudogleye Ah/Sw/IISd/IIC - entsteht auf geschichtetetn Ausgangsgesteinen, die sich deutlich in ihrer Körnung unterscheiden, z.B. Löss über Ton, sandige Fließerde über Ton - oberflächennäheres Ausgangsmaterial ist gröber als darunter liegendes feines Material, das folglich eine geringere Wasserleitfähi...