4.1 Grundlagen • Aufbau und Zusammensetzung Lithosphäre
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4 4.1 Boden Grundlagen • Aufbau und Zusammensetzung Boden mit charakteristischen Bodenhorizonten J Bodenprofil Lithosphäre - feste Gesteinshülle, ca. 100 km dick (griech. lithos, Stein; lat. sphaira, Kugel) J Bodentyp Pedosphäre - Bodenhülle, wenige Dezimeter bis einige Meter dick (griech. pedon, Boden) Klima Belebte Trennschicht zwischen Lithosphäre und Atmosphäre J Biologische Aktivität komplexes System durch Überlagerung der Phasen Gestein, Wasser und Luft Auswaschung Ausgangsmaterial Geographische Besonderheiten Verwitterung Einwaschung Bodenprofil mit Bodenhorizonten organische Auflage (O) mineralischer Oberboden (A) Anreicherung Humus, Auswaschung Mineralien mineralischer Unterboden (B) Mineralumwandlung (Ton), Verlagerung Fe, Al und Mn aus Untergrund, Anreicherung durch Einwaschung mineralischer Untergrund (C) wenig verändertes Ausgangsgestein, physikalische Verwitterung Bodenbestandteile Grünlandboden (Bliefert, 2002) Wasser 25 % Mineralische Bestandteile 45 % Organische Bestandteile 5% Luft 25 % 50 % Poren Gestein Gesteinsverwitterung und Verwitterungsprodukte Urgestein Granit Verwitterungsprodukte Minerale Quarz SiO2 Sand, Kies SiO2 Lehm Glimmer Feldspat Al2O3 ⋅ 2 SiO2 (aq) CaO Ton Al2O3 ⋅ 2 SiO2 (aq) Na2O, K2O Mergel Boden, Meer CO2 SO3 Kalkstein Gipsstein CaCO3 CaSO4 (aq) Verwitterungsarten J physikalische, chemische und biogene Verwitterung Typische Verwitterungsreaktionen von Mineralien J chemische Verwitterung Mineral Wasser CO2 Kation Anion Kieselsäure Tonmineral Kalk CaCO3 + H 2O CaCO3 + H 2O + CO2 Ca2+ + 2 HCO3- Ca2+ + HCO3- + OH- Quarz SiO2 + 2 H2O + H4SiO4 Feldspat NaAlSi3O8 + 11/2 H2O NaAlSi3O8 + 11/2 H2O + CO2 Na+ + OH- + 2 H4SiO4 + ½Al2Si2O5(OH)4 Na+ + HCO3- + 2 H4SiO4 + ½Al2Si2O5(OH)4 Tonmineralien Kaolinit Al2(OH)4[Si2O5], wichtigstes Tonmineral, Zweischichtsilicat Schichtflächenabstand nicht variabel, nicht quellbar Anlagerung von Ionen und Wasser nur an Außen- und Bruchflächen ungefähr Al2(OH)2[Si4O10], Dreischichtsilicat stark quellfähiges Tonmineral J Schichtflächenabstand variabel durch Einbau von Wasser und Ionen zwischen den Schichten ca. 0,7 nm “ “ “ “ “ “ 1 - 1,8 nm Montmorillonit Huminstoffe - aromatisches Grundgerüst mit unterschiedlichen Substituenten (Bliefert, 2002) Aldehyd Zucker Ether Ester Keton Carbonsäure Phenol Amin Heterocyclus Peptid J Huminstoffe - Bestandteile des Humus, insbesondere in Torf, Moorboden, Braunkohle, humushaltigen Böden J hydrophile "Wasserspeicher", Komplexbildner (Ca2+, Mg2+, K+) J Ionenautauscher J feste Bindung von Schwermetallen (Pb2+, Cu2+, Fe3+) J Anreicherung Lebewesen in den oberen 30 cm / m2 Boden Gruppe Anzahl Bakterien (1) 60 000 000 000 000 Pilze (2) 1 000 000 000 Einzeller (3) 500 000 000 Fadenwürmer (4) 10 000 000 Algen (5) 1 000 000 Milben (6) 150 000 Springschwänze (7) 100 000 weiße Regenwürmer (8) 25 000 Regenwürmer (9) 200 Fliegenlarven (10) 200 Tausendfüßler (11) 150 Käfer (12) 100 Schnecken (13) 50 Spinnen (14) 50 Asseln (15) 50 Hundertfüßler (16) 50 Wirbeltiere (17) 0,001 Ionenaustausch im Boden Kationen-Austausch wichtigste austauschbare Kationen Ca2+ , Mg2+ , K+ , Na+ sowie Al3+ und H+; Austausch an negativen Zentren von Tonmineralien und Huminstoffen in schwach sauren bis alkalischen Böden Ca2+-, Mg2+-, K+- und Na+-Ionen im Kationenbelag der Austauscher, in sauren Mineralböden Al3+- und H+-Ionen Anionen-Austausch in Böden mit einem hohen Anteil an Tonmineralien und Huminstoffen nicht von Bedeutung insbesondere in oxidreichen, sauren Böden (pH-Wert < 7) J Bindung von Anionen (z. B. Cl- , NO3-, SO42- und PO43-) an positiven Ladungen der Austauscher J bei steigendem pH-Wert Erfolgt leichte Auswaschung (einwertige Ionen, NO3- !) 3 5 6 7 Ammoniakwasser 4 Backpulver Sauberer Regen 2 Milch Reines Wasser Blut Tomatensaft 1 Essig Magensaft Bodenreaktion und pH-Werte verschiedener mitteleuropäischer Böden (Enslinn, Krahn, Skupin 2000) 8 9 10 11 pH-Wert sauer neutral basisch Saurer Regen Hochmoorboden Sumpfwiesenboden Mischwaldboden Flachmoorboden Wiesenboden Kalkartiger Boden pH-Einfluss J u. a. Huminsäuren, Bodenatmung (CO2), Kalkgehalt, Tongehalt 12 pH-Wert des Bodenwassers pH-Wert-Veränderung im Bodenwasser bei fortgesetztem Eintrag von Säure (Bliefert, 2002) Carbonat-Pufferbereich: 8 H+ CO32- J 6 H+ HCO3- ( J CO2) Tonminerale (T) im Austauscher-Pufferbereich: T–O-M+ + H+ J T–O-H+ + M+ 4 M+ = Na+, K+, Ca2+, Mg2+ Al-Pufferbereich: [Al6(OH)15]3+ + 15 H+ + 21 H2O J 6 [ Al(H2O)6]3+ 2 Fe-Pufferbereich: FeO(OH) + 3 H+ + 4 H2O J [ Fe(H2O)6]3+ Gesamte Säure im Boden Schadstoffe im Boden Wichtige Gruppen Eintrag Anreicherung J organische Schadstoffe (O) J Schwermetalle (M) J durch Verwitterung der Gesteine (M) J durch Überschwemmung/Einlagerung (O, M) J aus der Luft (O, M) J durch Düngung, Pflanzenschutz (M, O) J durch lokale Altlasten, Deponien (O, M) J Fällung, Adsorption an Bodenmatrix, Einbau (in Kristalle, Komplexe) (M) J Adsorption an Bodenmatrix (O)
