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Weitere Files findest du auf www.semestra.ch/files DIE FILES DÜRFEN NUR FÜR DEN EIGENEN GEBRAUCH BENUTZT WERDEN. DAS COPYRIGHT LIEGT BEIM JEWEILIGEN AUTOR. UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Vorlesung Bodenkunde 1, WS 05/06, bei Dr. Urs Vökt, UniBe, 3. Semester, Zusammenfassung Themenübersicht / Inhaltsverzeichnis / Zusammenfassung Werden Seitenzahlen angegeben, dann beziehen sich diese auf folgende Quelle: Scheffer/Schachtschabel (2002). Lehrbuch der Bodenkunde. Spektrum Verlag 1. Einleitung 1.1 Böden als Naturkörper in Ökosystemen 1.2 Funktion von Böden in der Ökosphäre 1.3 Böden als offene und schützenswerte Systeme → Durchlesen S.1-5 2. Anorganische Komponenten der Böden – Minerale und Gesteine 2.1 Kreislauf der Gesteine → → → Gesteine unterliegen nach der Kristallisation von Magma vielfältigen Veränderungen durch Prozesse wie Verwitterung, Transport, Ablagerung, Diagenese, Metamorphose und Anatexis, die sich zu einem Kreislauf zusammenschliessen. In diesem Kreislauf sind die Böden eine bedeutsame Station: Sie sind einerseits das Ergebnis der Gesteinsumwandlung und liefern andererseits Material für die Bildung neuer Gesteine. Daher sind Böden nicht ohne Gesteinskenntnis zu verstehen und klassifizieren, ebenso wenig viele Gesteine nicht ohne Kenntnis der Böden. 2.2 Minerale 2.2.1 Allgemeines → → → Die homogene Bestandteile der Gesteine sind die Minerale. Diese sind natürliche, überwiegend anorganische und chemisch einheitliche Verbindungen, deren elementare Bausteine meist in definierter, regelmässig-periodischer Weise angeordnet sind. Sie sind kristallisiert. Die kleinste geometrische Einheit nennt man Elementarzelle Gesteinsbestand (Komponenten) der Erdkruste: Seite 1/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I → → → → → → → Die Hälfte der Elemente entfällt massenmässig auf den Sauerstoff, ein weiteres Viertel auf Silizium und der Rest sind Kationen Die meisten Minerale bestehen aus mehr oder weniger dicht gepackten O 2--Ionen, deren negative Ladung durch die meist viel kleineren Kationen neutralisiert werden Kleine Kationen, wie Si4+ haben 4 O2--Ionen (Liganden) als nächste Nachbar (Kz = 4), mittlere, wie Al3+ haben sechs (Kz = 6)und grosse, wie K+ auch 8 oder 12 (Kz = 8, 12) Als Ligand treten ausser O2- das ebenso grosse Hydroxyl-Anion OH- und das S2--Anion auf. Die unterschiedliche Grösse der Ionen hat zur Folge, dass deren Volumenanteile an der Lithosphäre deutlich von den Gewichtsanteilen abweichen Die mittlere chemische Zusammensetzung der Lithospäre zeugt weiterhinf, dass Verbindungen aus O und Si vorherrschen. Als Ligand treten ausser O2- das ebenso grosse Hydroxyl-Anion OH- und das S2--Anion auf. Je nach Entstehung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Mineralien: → → Primäre Mineralien: entstehen unter erhöhtem Druck (und/oder Temperatur). Beispiele sind: Quarz, Feldspäte, Glimmer, Amphibole, Pyroxene, Olivine Sekundäre Mineralien: entstehen im Zuge der chemischen Verwitterung von primären Mineralien unter atmosphärischem Druck und Temperatur. Beispiele sind: Tonminerale, Hydroxide und Al-Hydroxide. Die Mineralien werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung in folgende Hauptgruppen eingeteilt: Name Beispiele Silikate Oxide Carbonate Sulfide alle Mineralien mit Si als Hauptbestandteil Fe2O3; FeOOH; Al2O3; Al(OH)3 CaCO3; CaMg(CO3)2 FeS2; ZnS; PbS 2.2.2 Struktur der Silikate (S.8) → → → → → → Einige Erläuterungen zur Struktur um der Vielfalt und Eigenschaften, wie z.B. Verwitterbarkeit, besser zu verstehen. Grundbaustein ist das SiO4-Tetraeder. Hierbei wird das vierwertige Si-Atom von vier grossen Sauerstoffionen eingeschlossen. Dadurch entsteht eine dichte Sauerstoffpackung, die den Raum erfüllt und lediglich in den Lücken Kationen aufnimmt Jeder SiO4-Tetraeder hat vier negative Ladungen und ist über Sauerstoffbrücken mit weiteren SiO4-Tetraeder vernetzt. Art und Ausmass der unterschiedlichen Vernetzung führt zu den verschieden Silikatstrukturen. Dabei werden unterschieden: - Gerüstsilikate: 3D - Blatt-, Schicht- oder Phyllosilikate: 2D - Inselsilikate: 1D Hieran beteiligen sich vor allem Al3+, Fe2+, Fe3+, Mg2+ und Ca2+, die im Verein mit den Vernetzungsvarianten die chemische Vielfalt der Silikate hervorrufen. Sowohl Struktur, wie auch Chemismus wirken sich deutlich auf die Verwitterbarkeit aus. Seite 2/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 2.2.3 Primäre (lithogene) Silikate (S.9) Wichtige Vertreter (Überblick): zu den Feldspäten: → Die wichtigsten Feldspattypen sind: Orthoklas (Kaliumfeldspat), Albit (Natriumfeldpat), Anorthit (Calciumfeldspat) = Alkalifeldspäte → Zwischen Albit und Anorthit besteht die lückenlose Mischungsreihe der Plagioklase (CaNa-Felpäte) → In basischen Magmatiten könne ausser Ca-reichen Plagioklasen auch Si-ärmere Feldspatvertreter (Foide), wie Nephelin und Leucit auftreteten, die ebenfalls Gerüstsilikate sind. zu den Glimmer: → Man nennt sie auch Dreischichtmineralen → Die Verknüpfung der dreischichtigen Baueinheit erfolgt beim Glimmer senkrecht durch Kaliumionen, die in die zentralen Lücken der 6er-O-Ringe der äusseren Sauerstoffschicht der Tetraeder eintauchen und so die Silikatschichten zusammenhalten (Zwischenschichtkationen) Seite 3/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 2.2.4 Sekundäre Silikate (S. 13) Allgemeines, Eigenschaften, Typen, Struktur: → → → Die wichtigsten sekundären Silikate sind die Tonmineralien. Sie fehlen in Magmatiten und Metamorphiten Strukturell sind sie mit den Phyllosilikaten verwandt, jedoch von sehr geringer Teilchengrösse (< 2µm) und verleihen daher Tongesteinen und tonigen Böden ihre Plastizität, ihre Quellfähigkeit und ihr Vermögen, Ionen und Moleküle zu sorbieren (grosse spezifische Oberflächen, permanent negativ geladen. Sie sind von geringer Kristallinität, die zusammen mit der Schichtladung die Ursache für die hohe Reaktionsfähigkeit der tonminerale in Böden ist. Neben den strukturellen Gemeinsamkeiten mit den Glimmern treten folgende Unterschiede auf: - neben dem 2:1 Schichttyp (Illit, Vermiculit Smectit, Chlorit) gibt’s auch noch die 1:1- oder Zweischichtminerale (Kaolinit, Halloysit, Serpentin) - beim 2:1-Typ können auch kurze faserförmige Schichtstückchen auftreten (Palygorskit) - Oktaeder- oder Tetraederschichten könne in variablen Anteilen auch zu Hohlkugeln (Allophan) oder Röhren (Imogolit) verknüpft sein. - Nach Ausprägung dieser Eigenschaften werden die Tonminerale eingeteilt - weitere Typen und Infos dazu siehe Scheffer/Schachtschabel S. 15-17 Bildung und Umwandlung der Tonminerale: → → → → Unter den Schichtsilikaten sind die beiden Glimmer Muskovit und Biotit sowie die Chlorite für die Tonmineralbildung am wichtigsten. Das Charakteristische dieser Umwandlung ist, dass die Silikatschichten selbst – wenn auch nicht unverändert – erhalten bleiben. Während die Besetzung im Zwischenschichtraum verändert wird. Unterstützt durch mechanische Zerkleinerung werden vom Rand her K+-Ionen aus den Glimmern herausgelöst und durch andere Kationen wie Ca2+ und Mg2+ ersetzt, die nicht in die Vertiefungen hineingezogen werden und deshalb austauschbar bleiben. Am Rand der Kristalle entstehen dadurch zunächst aufgeweitete, bei stärkerem K-Verlust vollkommen aufgeweitete Schichten. Die Aufweitung wir dadurch erleichtert oder sogar erst ermöglicht, dass die negative Schichtladung aboder die positive der Kationen zunimmt (Oxidation). Seite 4/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I → → → Am Ende dieses Prozesses steht dann ein vollkommen K-freies und aufgeweitetes Dreischichttonmineral, das je nach Ladungshöhe ein Vermiculit oder Smecit ist. Welche Tonminerale sich unter gegebenen Bedingungen bilden, lässt sich aus dem pHWert und der Zusammensetzung der Lösung sowie den Löslichkeitsprodukten der einzelnen Minerale mit Hilfe von Stabilitätsdiagrammen ableiten (seihe Kap. 4.3.2) Die bei der Verwitterung vom Gestein zum Boden entstandenen oder aus ihm stammenden Tonminerale können sich weiter umwandeln, weil sich bei fortschreitender Verwitterung die Bedingungen gerichtet ändern (Versauerungszunahme mit Zeit, Illitisierung, Desilizifizierung: Smecit → Kolinit → Gibbsit): 2.2.5 Oxide und Hydroxide (S.22) → → → Minerale dieser Gruppe könenn sowohl primärer wie sekundärer Entstehung sein Das mengemässig wichtigste primäre Oxid in Gesteinen und Böden ist der Quarz Bei der Verwitterung von primären Silikaten durch Hydrolyse und Protolyse werden Fe, Mn und Al Metallkationen freigesetzt und anschliessend in Anwesenheit von Sauerstoff oxidiert. Die entstehenden Kationen hydrolisieren und bilden Oxide und Oxyhydroxide. Diese Mineralien finden sich vor allem in den sehr feinen Fraktionen, sind sekundär entstanden und deshalb in den meisten Böden und Sedimenten enthalten. Beispiele (S.23-29): → → → → → Siliciumoxide, wie Quarz (primärer und sekundärer), Opal, Silcrete Aluminumoxide, wie Gibbsit (Oktaeder), Diaspor. Böhmit. Bilden sich durch langsame Hydrolyse von freigesetztem Al aus Feldspäten, Glimmer, Tonmineralen Eisenoxide (charakteristische Farben), wie Goethit (nadelförmig), Hämatit, Lepiodokrit Die Mineralform und die Eigenschaften der Eisenoxide zeigen in vielfältiger Weise die Bedingungen der Pedogenese an (Rückschlüsse). Da das Eisen in den primären Mineralien (Biotit, Pyrobile, Olivin, Magnetit) meist zweiwertig ist, wird es von Sauerstoff in Gegenwart von Wasser oxidiert und aus der silikatischen Bindung freigesetzt. → Die Eisenoxide müssen mit Buch eventuell noch etwas vertiefter betrachtet werden. Titanoxide, wie Anatas, Rutil, Illmenit und Titanomagnetit Das bei Verwitterung freigesetzte Ti enstammt primären, leicht verwitterbaren Silikaten Manganoxide: Bei der Verwitterung Mn-haltiger Silikate (z.B. Biotit), wird das Mn2+ unter aeroben Bedingungen überwiegend als schwarzbraunes bis schwarzgefärbtes, schwerlösliches Mn(IV)-Oxid ausgefällt. Auftreten in Böden als Flecken, Teilchenüberzügen, Konkretionen und Krusten wie Eisenoxide Seite 5/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 2.2.6 Carbonate, Sulfate, Sulfide und Phosphate → → → → Das häufigste Carbonat ist CaCO3, das als Calcit, seltener als Aragonit auftritt. Verbreitet sind auch Carbonate mit mehreren Kationen, wie Dolomit und Ankerit. In Böden werden Calcit un dOlomit meist vom Gestein ererbt (Auslösen, Ausscheiden in Poren, Spalten etc.) Anhydrit und Gips (Anhydrit und H2O) sind die Hauptbestandteile der Gipsgesteine. Gips kommt in geringer Menge in vielen Sedimenten und Böden, insbesondere in Trockengebieten, vor. Er bildet sich drüber hinaus als Oxidationsprodukt von Sulfiden. Unter den Sulfiden sind die beiden Formen des Eisensulfids (FeS2) Pyrit und Markasit die häufigsten Vertreter. Feinkörniges und daher schwarzes FeS2 ist in tonigen Sedimenten, die sich unter anaeroben Bedingungen gebildet haben, aber auch in reduzierten Böden weit verbreitet und färbt sie dunkel. Das wichtigste Phosphatmineral, aus dem der Nährstoff Phosphat primär in Pedo- und Biosphäre gelangt ist Apatit. Er ist sowohl magmatischer als auch pedogener Entstehung. 2.3 Gesteine → Gesteine sind feste oder lockere, natürliche Mineralgemenge der festen Erdkruste. Ihr Mineralbestand muss über eine gewisse räumliche, geologisch bedeutsame, Erstreckung gleichförmig sein. Das übergeordnete Einteilungskriterium der Gesteine ist ihre Genese. Klassifizierungen auf tieferen Niveaus und Bezeichnungen der Gesteinsarten erfolgen nach dem Mineralbestand, dem Chemismus, der Textur und Struktur, dem Bildungsort, dem Fossilgehalt und der Typlokalität: Seite 6/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 2.3.1 Magmatite → → → → → In beiden Gruppen (Plutonite, Vulkanite) werden die Gesteine nach ihrem chemischen SiO2-Gehalt in saure, intermediäre, basische und ultrabasische Magmatite unterteilt. Vom SiO2- Gehalt hängt im Wesentlichen der Mineralbestand ab, durch den die verschiedenen Magmatite definiert werden. Die einander entsprechenden Tiefen- und Ergussgesteine stimmen weitgehend in ihrer chemischen Zusammensetzung überein, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihrer Struktur. In den Plutoniten führt die langsame Abkühlung zu relativ grobkörnigen Mineralen, währedn bei der raschen Abkühlung bei den Vulkaniten eine glasige oder feinkristalline Grundmasse entsteht, in die einzelne, gröbere Kristalle (Einsprengling) eingebettet sein können (porphyrische Struktur). An den Gesteinen der Erdkruste sind unter den Magmatiten die Granite und Granodiorite zu 22 Vol-%, die Basalte und Gabbros zu etwa 43 Vol-% beteiligt. Der Rest entfällt auf Sedimente und Metamorphite. An der Erdoberfläche sind die Magmatite jedoch nur in geringem Umfang vertreten und häufig auf Gebirgslagen beschränkt (s. Kap 2.2.1). Die Bezeichnung „sauer“ oder „basisch“ bezieht sich auf den Gehalt an Kieselsäure. 2.3.2 Sedimente und Sedimentite Allgemeines: → → → Die Entstehung der Sedimente basiert auf der Prozesssequenz Verwitterung → Abtragung → Transport → Ablagerung und geht häufig von der Bodenbildung aus. Bestehen die Sedimente vorwiegend aus mechanisch transportiertem, weitgehend unverändertem Gesteinsmaterial, so spricht man von klastischen Sedimenten. Je nach Beweglichkeit der Körner im Transportmittel und der Länge des Transportwegs sind ihre Korngrössen gemischt, d.h. unsortiert oder relativ einheitlich, d.h. sortiert. Verdanken die Sedimente dagegen ihre Mineralzusammensetzung vorwiegend einer Ausfällung aus der Lösung oder biologischen Vorgängen, so nennt man sie chemische bzw. biogene Sedimente. Seite 7/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I → → → → Kennzeichnen lassen sich die Sedimente weiterhin durch das Transportmittel (glazigen, äolisch) und den Ablagerungsort (terrestrisch, fluviatil, lakustrin, marin). Alle Sedimentgesteine werden zunächst in lockerer Lagerung abgesetzt, können aber im Laufe der Zeit durch Kittung und/oder Auflast überlagernder Sedimente durch den Vorgang der Diagenese zu Sedimentiten verfestigt werden. Die Verkittung bewirken Tone, Ca-Mg-Carbonate sowie Si- und Fe-Oxide, die aus entsprechend zusammen gesetzten wässrigen Lösungen im Porenraum ausfallen. In der Regel findet man mit zunehmendem geologischen Alter mehr und mehr verfestigte Sedimentite; quartäre Sedimentgesteine sind daher vorwiegend (Locker)Sedimente, meso- und paläozoische Ablagerungen dagegen Sedimentite. Sedimente und Sedimentite machen nur ca. 8% der Erdkruste aus, etwa die Hälfte davon sind Zongesteine, der Rest etwa zu gleichen Anteilen Carbonat- und Sandgesteine (s. Kap 2.2.1). Sedimente und Sedimentite bedecken jedoch 75% der Erdoberfläche und sind daher sehr bedeutsam für die Böden (deshalb längeres Kapitel...) Die vielen Arten der Sedimentgesteine (keine Ahnung wie wichtig): → → → → → Kiese, Breccien, Konglomerate (Psephite): grobkörnig (> 2mm), Schutt (eckige Komponenten) und Schotter (runde Komponenten), zeugen von hoher Transportkraftm in Gebirgen nahe des Abtragungsorts un in Tälern (glazifluviatil). Schutt wird zu Breccie, Schotter zu Konglomerat verfestigt. Sande und Sandsteine (Psammite): Sedimente bzw. Sedimentite mit mehr als 50% der Kornfraktion Sand (0.063...2mm). Bsp’s: Sandsteine (> 75% Quarz), Grauwacken (Glimmer, Chlorite, Gesteinsbruchstücke, dunkelgrau), Arkosen (Kaolinit, Feldspäte) → Bestimmungsdreieck, an Alkalifeldspat reiche Sandsteine mit tonigen Bindemittel führen zu nährstoffreicheren Böden als silikatarme, quarzreiche Sandsteine. Schluffe und Schluffsteine (Silte), Tone und Tonsteine (Pelite): In den Schluffsedimenten dominiert die Kornfraktion 2...63µm. Das bekannteste und bodenkundlich weltweit bedeutende Schluffsediment ist der Löss (siehe weiter unten). Tone sind plastische Sedimente mit hohen Gehalten der Kornfraktion < 2µm, Schluffsedimente sind dagegen nicht plastisch. Tone werden meistens unter ruhigen Sedimentationsbedingungen bei geringer Transportkraft des Wassers gebildet. Aus Tongesteinen entstehen naturgemäss tonige Böden (Pelosole) Carbonatgesteine und Mergel: Carbonantgesteine sind Gesteine mit > 25% Ca- und CaMg-Carbonaten, vorwiegend als Calcit und Dolomit. Sie lassen sich nach dem Carbonatgehalt unterteilen in Kalkgesteine mit > 75% und Mergel mit 25...75% Carbonat. Beträgt der Dolomitgehalt > 50% (Mg-Gehalt > 6.6%) spricht man von Dolomiten. Bildung oft biogen im Meer, deshalb Fossilien. Bei Bodenbildung aus Carbonatgesteinen werden die Carbonate gelöst und weggeführt. Der nichtcarbonatische Lösungsrückstand (Schichtsilikate und Quarz) bildet den Mineralbestand dieser Böden (Rendzina, Terra fusca). Quartäre Sedimente: Sehr bedeutsam für die Böden sind Lockersedimente, die während und nach der quartären Vereisung entstanden sind. Weiter werden unterschieden: - Löss: Ton, Sand- und Schluffreiches Material, das sich bei einsetzendem Regen, nachlassendem Wind oder im Windschatten von Hügeln ablagerte, carbonathaltig, gelblich gefärbt, Korngrössenmaximum zwischen 10 und 60µm, Schichtdicken von wenigen cm bis mehrere 100m, Gürtel von F bis nach Südrussland und China. Unter den humiden Klimabedingungen der Nacheiszeit setzte Bodenbildung ein. Dabei wurden die Carbonate des Lösses in Mitteleuropa bis zu Tiefen von 1.5m ausgewaschen (Entkalkung) und der hellgelbe Löss durch Eisenoxid- und Tonbildung in gelbbraunen Lösslehm umgewandelt (Verbraunung). Es entwickelten sich Böden mit hoher natürlicher Fruchtbarkeit (Schwarzund Parabraunerden) - Sande: verweht, sog. Flugsande als Decken- oder Hügelsysteme weltweit verbreitet (Dünen) - Auensedimente nennt man die Sedimente der Flusstäler, Watt die der Küsten - Glazigene Sedimente wie Moränen, Flussterrassen und Sander, meist schlecht sortiert und mit grossen Gesteinsblöcken gespickt. Seite 8/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I - Fliesserden und Frosterden sind Lockersedimente, die sich in Hanglagen (> 2 Grad) auf gefrorenem Untergrund als wassergesättigter Brei bewegen. Häufig schluffreich. Steinreiche Fliesserden werden als Solifluktionsschutt bezeichnet. Frosterden entstehen in ebenem Gelände durch von Frostwechsel ausgelöste Kryoturbation. 2.3.3 Metamorphite → → → → → Magmatische und sedimentäre Gesteine können durch hohen Druck. Hohe Temperatur und durch Bewegung so stark verändert werden, dass aus ihnen zum Teil völlig andersartige Gesteine entstehen, die man Metamorphite nennt. Metamorphite aus Magmatiten erhalten den Namenszusatz Ortho., solche aus Sedimentiten entsprechend Para-. Sie können je nach Ausgangsgestein und dem Grad der Metamorphose sehr unterschiedliche chemische, vor allem aber mineralogische Eigenschaften haben. Höhere Drücke und/oder Temperaturen entstehen entweder durch hohe Auflasten mächtiger Gesteinspakete oder bei der Gebirgsbildung (Regionalmetamorphose). Ausserdem können sich Gesteine beim Kontakt zu heissen Magmenumwandeln (Kontaktmetamorphosen). Schieferung ist ein charakteristisches Merkmal vieler Metamorphiten. Weit verbreitet sind Gneise (> 20% Feldspäte), die ca. 20% der Erdkruste ausmachen. Verbreitet sind auch die meist aus Tonen, Tonsteinen und Grauwacken hervorgegangenen Phyllite und Glimmerschiefer (< 20% Feldspäte). Aus Si-armen Magmatiten (Basalt) gehen Grünschiefer, Amphibolite und Eklogite hervor. Hochreine Kalksteine werden zu Marmor und Quarzite entstehen aus Sanden und Sandsteinen. Ihre grösste Verbreitung haben M. weltweit in den alten Festlandkernen (Kratone), die später durch Erosion freigelegt oder von jüngeren Gesteinen bedeckt worden sind (Grundgebirge oder Basements) . 2.3.4 Anthropogene Substrate → Der Mensch lagert vor allem in städtisch-industriellen Verdichtungsräumen natürlich entstandenes Boden- oder Gesteinsmaterial um oder trägt technogenes Substrat auf. Aus solchen anthropogenen Substraten oder auch Substratgemischen können sich ebenfalls Böden entwickeln. Seite 9/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I → → Bei umgelagerten, natürlichen Substraten handelt es sich meist um Bodenabtrag von Planierungen und um Bodenaushub von Baumassnahmen, Aufbringung in Form von Wällen, Dämmen, Hügeln etc. Ebenfalls Gleisschotter. Als künstliche, technogene Substrate werden Aufträge aus Materialien bezeichnet, die vom Menschen geschaffen oder stark verändert wurden, wie Ziegel, Mörtel, Beton, Müll, Klärschlamm etc. 2.3.5 Gesteinsbestimmung → Chemische Gesamtanalyse, Polarisationsmikroskopie von Dünnschliffen, Interpretation der optischen, makroskopischen Eigenschaften 2.4 Verwitterung Die Verwitterung ist neben der Humifizierung der wichtigste stoffverändernde Prozess der Bodenbildung; er umfasst eine Vielzahl physikalischer, chemischer und biotischer Prozesse 2.4.1 Physikalische Verwitterung 2.4.2 Chemische Verwitterung → → Die Lösungsverwitterung (Auflösung durch Hydratation) ist bei der Bodenbildung aus Salzund Gipsgesteinen und bei salzhaltigen Böden von Bedeutung. Die Triebkraft der Auflösung ist das Bestreben der Ionen an der Mineraloberfläche, sich in Gegenwart von Wasser mit H2O-Molekülen zu umgeben. Über die Löslichkeit von Salzen bei 20 Grad Celsius gibt folgende Tabelle Auskunft: Seite 10/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I → → Das „schöne“ vorangehende Bildli zeigt die Verwitterung eines Feldspats und die gleichzeitige Neubildung von Kaolinit in den Lösungskavernen aus den ionaren und molekularen Zersetzungsproukten. Vorgang: hydrolytische Spaltung. à propos Schönheit, check out: http://www.sciencephoto.com/ 2.4.3 Rolle der Biota → → Im belebten, durchwurzelten Bereich der Böden ist die Verwitterung meist intensiver als im unbelebten. Dazu tragen insbesondere Pflanzenwurzeln und niedere Vertreter der Bodenflora (Bakterien, Algen, Pilze) bei. Die bei der biotischen Verwitterung ablaufenden Mechanismen sind im Prinzip die gleichen wie die der chemischen Verwitterung. Die Hauptwirkung geht von biotisch produzierten Säuren, z.B. während des Streuabbaus, aus. Das sind ausser Kohlensäure vor allem niedermolekulare organische Säuren wie Oxal-, Wein-, Apfel- und Zitronensäure. Seite 11/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I → → In Böden sind die Kristalloberflächen primärer Silikaten häufig dicht mit Pilzhyphen, Bakterien oder Algen bedeckt, so dass ein enger Kontakt zwischen Organismen und Mineraloberflächen entsteht. Aus 1kg Granitbruchstücken lösten sich innerhalb von 30 Tagen in Gegenwart einer komplexen Bodenmikroflora 160mg Fe, 100mg Al und 220mg Mn, im sterilen Ansatz dagegen nur 0,2mg Fe, 0,5mg Al und 10mg Mn. 2.4.4 Verwitterungsstabilität → Verwitterungsstabilität verschiedener Mineralien von 1mm Kristallen in Jahren: → Minerale sind thermodynamisch stabil, wenn sie bei gegebenem Druck- und Temperaturbedingungen mit ihrer chemischen Umgebung im Gleichgewicht stehen. Auf Böden ist diese Definition nur bedingt anwendbar, denn in der Natur wird das Gleichgewicht zwischen Mineralen und Verwitterungslösung nur selten erreicht, da die Verwitterungsprodukte ständig entzogen werden. Mit der Zeit werden sich deshalb Fliessgleichgewichte einstellen, in denen sich die mineralogische Zusammensetzung kontinuierlich den stofflichen Veränderungen anpasst. Aus diesen Gründen schreitet die Verwitterung ständig weiter fort. Chemische Verwitterungs- und Neubildungsprozesse in Böden sollten deshalb sowohl thermodynamisch als auch kinetisch betrachtet werden. Die Stabilität von Mineralen gegenüber chemischer Verwitterung korreliert mit der Wasserlöslichkeit. Leicht lösliche Minerale wie Salze verwittern deshalb am schnellsten. Stabilität von verschiedenen Faktoren abhängig (Strukturtyp, Chemismus etc.). Im Allgemeinen steigt die Stabilität der verschiedenen Strukturtypen in der Reihenfolge Insel< Ketten- < Blatt- < Gerüstsilikate an, denn in gleicher Reihenfolge nimmt die Vernetzung der SiO4-Tetraeder und daher der Anteil von Si-O-Si(Al)-Bindungen zu. Eine qualitative Betrachtung der Verwitterungsstabilität ist mit Hilfe von Stabilitätsdiagrammen möglich. → → → → Seite 12/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 3. Organische Substanz und Bodenbiologie 3.1 Organische Substanz 3.1.1 Definition und Einteilung Zur organischen Substanz der Böden gehören alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe und deren organische Umwandlungsprodukte (auch menschl. organische Abfallstoffe sind miteinbezogen). Lebende Organismen (das aus Bodenflora und Bodenfauna bestehende Edaphon), sowie lebende Wurzeln gehören nicht zur org. Substanz. Nach dem Grad ihrer Umwandlung im Boden unterteilt man die org. Substanz des Bodens: 1) Streustoffe: Sind nur schwach umgewandelt, ihre morphologische Struktur ist sichtbar (abgestorbene Pflanzenreste, Wurzeln und Organismen). Nichthuminstoffe: Sie enthalten Lipide (Fette), Polysacharide (Zucker), und Lignin. Turnover time (Verweilzeit)im Boden ist kurz. 2) Huminstoffe: Stark umgewandelte, z.T. hochmolekulare Substanzen ohne makroskopisch erkennbare Gewebestrukturen (gegen Mineralisierung stabilisiert eine niedrige Umsatzrate bzw. Turnover time lang. 3) Humus: Gesamtheit der organischen Substanz (jedenfalls in diesem Buch). Der Humus ist mit dem Mineralkörper vermischt und bildet andererseits zusammen mit Streustoff den Auflagehumus vieler Böden. Neben festen org. Substanzen treten im Bodenwasser gelöste org. Substanzen auf (DOM=disolved organic matter). Der Abbau organischer Substanz wird Zersetzung genannt, die Umwandlung in Huminstoffe Humifizierung. Als Mineralisierung bezeichnet man einen vollständigen mikrobiellen Abbau organischen Stoffen (CO2, H2O), bei dem auch die in den organischen Stoffen enthaltenen Pflanzennährelemente freigesetzt werden (z.B. Mg, Fe, N, S). Der Kohlenstoffgehalt variiert innerhalb einzelner Substanzklassen, Polysaccharide enthalten etwa 40% C, Lipide etwa 70% C (Ø=50% C). Ausser den Nichtmetallen C, H, O, N, S und P enthält die organische Substanz der Böden auch Metalle (entweder in austauschbarer Form (Ca, Mg) oder in Form von Komplexen fest gebunden (Cu, Mn, Zn, Al, Fe). 3.1.2 Pflanzenreste und ihre Umwandlung während des Abbaus Organische Ausgangsstoffe umfassen die Gesamtheit der Biomasse (durch Photosynthese produziert), daneben Streu, abgestorbene Wurzeln, organische Ausscheidungsprodukte der Wurzeln und Mikroorganismen, sowie abgestorbene Bodentiere. Die Reste und Ausscheidungsprodukte von Pflanzen werden als Primärressourcen, diejenigen von Mikroorganismen als Sekundärressourcen bezeichnet. a) Pflanzenreste Im Wesentlichen gelangen zwei verschiedene Gewebetypen zur Zersetzung: parenchymatisches (dichtes Zellengewebe) Gewebe und verholztes Gewebe. Parenchymatische Pflanzenzellen bestehen überwiegend aus Cellulose und Protein. Vertholze Gewebe bilden den Holzteil (Xylem) und das Stützgewebe (Sklerenchym) von Stielen, Blattepidermis, Blattrippen und Rinde. Verholzte Gewebe enthalten überwiegend Cellulose, Hemicellulose und Lignin (auch: Lignocellulose). Cellulose besteht aus Glucoseeinheiten, die linearpolymer über hydrolysierbare, glycosidische Bindung miteinander verknüpft. Die regelmässige Anordnung der Hydroxylgruppe entlang der Cellulosekette führt zur Ausbildung von H-Brücken und damit zu der für pflanzliche Organismen charakteristischen Fibrillenstruktur mit kristallinen Eigenschaften, die etwa 85% des Cellulosemoleküls ausmachen. Hemicellulose und Pektiome unterscheiden sich von Cellulose durch den Aufbau aus verschiedenen Zuckereinheiten, nämlich Pentosen, Hexosen, Hexuronsäuren und Desoxyhexosen (Siehe Abbildung), mit Seitenkette und Verzweigung. Seite 13/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Abb.: Bausteine der organischen Substanz (siehe auch Seite 52, Scheffer, Schachtschabel): Zucjermonomere. Die pfalnzlichen Hemicellulosen lassen sich im Boden analytisch kaum von mikrobiell gebildeten Polysacchariden unterscheiden. Lignin ist eine hochmolekulare, dreidimensionale Substanz aus Phenylpropaneinheiten, die in verholzten Pflanzen das Gefüge der aus vorwiegend linear gebauten Polysacchariden bestehenden Zellmembran ausfüllt und versteift. Cutin bildet das makromolekulare Gerüst der pflanzlichen Cuticula, in das niedermolekulare Wachse und Fette eingebettet sind. Letztere sind auch als Lipide bezecihnete Stoffgruppe besteht aus einer Reihe verschiedener Substanzklassen, z.B. langkettige Kohlenwasserstoffe, primäre und sekundäre Alkohole, Ketone, Triglyceride und Wachsester. Ketone: (Ketone sind Oxidationsprodukte sekundärer Alkohole. Weil man sie von Alkanen ableiten kann, nennt man sie auch Alkanone. Einfachstes Keton ist das Aceton (Propanon). Abb.: Keraton Abb.: Triglyceride: Ein Triglycerid ist eine organische chemische Verbindung aus einem Molekül Glycerin und drei organischen Säuremolekülen. Meist sind es drei Fettsäuren, diese Triglyceride gehören dann zur Klasse der Lipide. Ähnlich dem Cutin hat auch das Suberin der Wurzeln eine Polyesterstruktur. Zusätzlich zu den aliphatischen (mit in offenen Ketten angeordneten Kohlenstoffatomen) Komponenten, die ähnlich wie beim Cutin aufgebaut sind, kommt noch eine Vielzahl von phenolischen Komponenten. Proteine gehören zu den häufigsten Zellinhaltsstoffen. Sie bestehen aus einer Gruppe von etwa 20 versch. Aminosäuren, die über Peptidbindung (Peptid= kurze Proteinkette aus Aminosäuren) miteinander verknüpft sind. Auch die Stärke gehört als Speicherpolysaccharid zu den Zellinhaltsstoffen. Sie ist aus Glucosemonomere aufgebaut (S. 52, Scheffer/ Schachtschabel). Die Anteile der einzelnen Inhaltsstoffe schwanken bei den verschiedenen Ausgangsstoffen stark: Die Zellwandbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin, sowie Lipide, Cutin/ Suberin und Proteine sind mit mehr als 95% sowohl in oberirdischen Pflanzenteilen wie auch in Wurzeln am bedeutendsten. Daneben enthalten Pflanzenrückstände eine Vielzahl von Phenolen, freien Seite 14/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Zucker, Aminosäuren, Peptiden und Produkten des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels, wie Gerbstoffe und Harze, als Nebenbestandteile. b) Mikrobielle Reste Von Bedeutung hier v.a die als C- und Energiequellen dienenden Rückstände von Bakterien und Pilzen als Sekundärressourcen von Bedeutung. Bakterienzellwände bestehen aus Murein (einem Peptidoglycan), Lipiden und Lipopolysacchariden. Die Zellwände enthalten Proteine, Chitin (Aminozuckerpolymer analog der Cellulose), Cellulose und weitere Polysaccariden, die hohe Anteile von Mannose (Monosaccharid mit 6 Kohlenstoffatomen im Molekül) und Glucose (Monosaccharid, auch Traubenzucker) aufweisen. Auch das Aussenskellet der Arthropoden (=Gliederfüssler z.B. Spinnen, Krebse... unendlich viele (Artenreichster Tierstamm, umfasst über eine Mio. Arten )) besteht aus Chitin. 3.1.2.2 Abbau- und Umwandlungsreaktionen im Boden Das pflanzliche Streu bildet das Ausgangsmaterial stabiler organischer Substanzen im Boden. Zuerst erfolgt eine schnelle Mineralisierung, die sich mit fortschreitender Humifizierung zunehmend verlangsamt. Die Mineralisierung und Humifizierung der Streu erfolgt in mehreren Phasen (Beteiligung von Bodenflora- und Faune bzw. deren Organismen). c) Abbau der organischen Substanz durch das Edaphon Nach dem Streufall beginnt der Abbau der Streu (Primärressource) durch die sog. Primärzersetzer. Hydrolytische Aufspaltung der Makromoleküle, insbesondere der Polysaccharide (Akteure, v.a. Pilze und unter dem Boden die Regenwürmer, aber auch weitere Akteure der Makrofauna (Asseln, Dibterenlarven, Tausenfüssle u.a.). Daneben v.a. in sandigen sauren Böden Enchyträen-, Collembolen- und Oribatiden- Arten. Abbaurate ist schneller, wenn mechanische Zerkleinerung (Zernagen, Zerbeissen) vorangegangen ist. Aber nur 7-15% der aufgenommenen Nahrung wird von den Saprophagen (von faulenden Stoffen lebendes Tier, gegenteilig, SaprophytPflanze). Der Rest wird mitsamt den Faeces (Kot, Ausscheidungen) mechanisch zerkleinert, mikrobiell infiziert und teilweise auch schon hydrolytisch gespalten. Sind Regenwürmer vorhanden, so geschieht durch die Bioturbation eine „Tieferlegung der oberirdisch zerkleinerten Pflanzenreste. Beim Passieren des Darmtrakts des Regenwurms werden die zerkleinerten Teilen z.T. umgebildeten organischen Stoffe in organo- mineralische Verbindungen eingebunden. Auf diese Weise können Verbindungen der organischen Stoffe mit anorganischen Bestandteilen entstehen, in denen die Huminstoffe gegen weitere Zersetzung stabilisiert sind. Dabei kann der ganze Oberboden innerhalb weniger Jahre den Darm der Würmer passieren. In der nächsten Phase werden die zerkleinerten Pflanzen- und Tierreste sowie die Exkremente der Bodentiere durch Sekundärzersetzer umgesetzt. Angehörige der Mesofauna, wie Milben, und Colembolen spielen eine wichtige Rolle. Letztendlich wird die bereits modifizierte organische Substanz von Pilzen und Bakterien mineralisiert, wobei die Zersetzer selbst wiederum als Nahrung für Sekundärzersetzer dienen. b) Der Weg des Kohlenstoffs während des Abbaus Der Kohlenstofffluss kann im Zuge der Zersetzung pflanzlichem Streu verschiedene Wege gehen, was als Partitionierung bezeichnet wird. Teile des Streu gehen, als so genannte modifizierte Streu, in die Fraktion der stabilen organischen Substanz über (v.a. schwer abbaubare Komponenten wie Lignin u.a.). Ein weiterer Weg des Kohlenstoffs in die stabile Fraktion kann über gelöste organische Substanzen (DOM) führen, die entweder direkt aus der Streuzersetzung oder indirekt aus der mikrobiellen Biomasse resultieren. Neben den Pflanzenresten sind die Reste der Bodenmikroorganismen ein wichtiges Ausgangsmaterial für stabile organische Substanzen. Die Mineralisierung der org. Substanz zu CO2 erfolgt aus allen Kompartimenten, die höchsten Raten stammen aus der Zersetzung frischer Streu und aus dem Umsatz der mikrobiellen Biomasse. Während der Mineralisierung erfolgt gleichzeitig eine stetige Umwandlung der im Boden verbleibenden organischen Substanz (Humifizierung). Die Umwandlungsprozesse in Böden (Siehe Abb.) können in mikrobielle Resynthese, selektive Anreicherung und direkte Umwandlung untergliedert werden. Seite 15/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Abb.: Umwandlungs- und Stabilisierungsprozessen (Humifizierung) der organischen Substanz (OS) im Boden; SA selektive Anreicherung, DU direkte Umwandlung, MR mikrobielle Resynthese. Während dieser Umbauphase geht die ursprüngliche Anordnung der pflanzlichen und tierischen Moleküle im Gewebeverband wie auch die ursprüngliche Molekülstruktur verloren. Durch die Oxidationsprozesse erhöht sich die Kationenaustauschkapazität. c) Abbau und Umwandlungsprozesse verschiedener Pflanzeninhaltsstoffe Bereits kurz vor oder unmittelbar nach dem Absterben der Pflanzenorgane oder Tiere kommt es zu ersten Umwandlungsprozessen, die in enzymatischen Reaktionen organismeneigener Stoffe bestehen (Seneszenz). Hierbei werden im Zellinneren durch Hydrolyse- und Oxidationsvorgänge polymere Verbindungen in Einzelbausteine zerlegt (z.B. Stärke in Glucose, Eiweisse in Aminosäure). Chlorophyll wird in farblose Abbauprodukte um, während sich gelbe Carotenoide anreichern und rote Anthocyane gebildet werden, die die herbstliche Verfärbung der Blätter bewirken. Ausserdem wird ein grosser Teil der mineralischen Nährstoffe (K, Mg, Ca, u.a.) feigesetzt und kann mit Niederschlagswasser ausgewaschen werden. Gelangt die organische Substanz auf oder in den Boden, so erfolgt zunächst eine rasche Mineralisierung unter Freisetzung von CO2, während der mineralisierte N zum grossen Teil in die mikrobielle Biomasse eingebaut wird. Besonders schnell erfolgt der Abbau von Zucker, Stärke, Proteinen, Hemicellulose oder Cellulose, allgemein der nichtverholzten Anteile. Lignocellulose wird dagegen wesentlich langsamer abgebaut, wie auch bereits teilweise humifiziertes Material, z.B. Torf, Stallmist oder Kompost. Unterwasserpflanzen benötigen kein Stützgewebe, enthalten mithin keine Lignocellulose. Polysaccharide (Cellulose, Hemicellulose) und Proteine dienen als C- und Energiequelle für die Mikroorganismen und werden dabei vollständig metabolisiert. Pflanzliche Polysdaccharide und Proteine unterliegen hauptsächlich einer mikrobiellen Resynthese. Mikrobiell gebildete Polysaccharide und Proteine werden vermutlich durch Bindung an die feinkörnige Minerale der Schluff- und Tonfraktion gegen weiteren Abbau stabilisiert. Der Abbau des Lignin erfolgt dagegen wesentlich langsamer. Das Lignin dient nicht als C- oder Energiequelle für Mikroorganismen. Voraussetzung für den Ligninabbau ist daher das Vorhandensein einer C- und Energiequelle (z.B. Zucker, Cellulose), da die ligninabbauenden Mikroorganismen, hauptsächlich Weissfäule- und Weichfäulepilze, mit Lignin als einziger CSeite 16/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Quelle nicht wachsen können. Der Ligninabbau erfolgt über einen ungerichteten Radikalmechanismus, der zu einer Spaltung von Bindungen in den Seitenketten und in den aromatischen Ringen führt. Dabei ist einerseits eine Freisetzung von CO2 zu beobachten, also eine teilweise Mineralisierung, andererseits wird ein Teil des Ligninmakromoleküls nur in seiner Struktur umgewandelt. Die meisten Lipide und auch das Cutin werden im Vergleich zu Lignin und Cellulose relativ rasch abgebaut, sodass es nicht zu einer selektiven Anreicherung dieser Substanzen kommt. Im Bodenprofil steigt der Zersetzungsgrad meist von oben nach unten an. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass auch Wurzelstreu und Verlagerungsprozesse von partikulärer und gelöster organischer Substanz die Zusammensetzung im Unterboden beeinflussen. 3.1.3 Stabilisierung der organischen Substanz Die Abbauraten werden mit zunehmender Verweildauer im Boden immer langsamer, und es erfolgt allmählich eine Stabilisierung der pflanzlichen und mikrobiellen Reste und ihrer Umwandlungsprodukte in Form von Huminstoffen. Die Entprodukte der Humifizierung werden nur noch sehr langsam mineralisiert. Pflanzliche und mikrobielle Reste und ihre Umwandlungsprodukte werden durch verschiedene Mechanismen gegen weiteren mikrobiellen Abbau gestützt. 3.1.3.1 Stabilisierung der durch strukturchemisch bedingte Eigenschaften (Rekalzitranz) Bestimmte makromolekulare Komponenten von Pflanzen oder Mikroorganismen sind aufgrund ihrer strukturchemisch bedingten Eigenschaften nur schwer mikrobiell abbau-bar. Vor allem aromatische Pflanzeninhaltstoffe, insbesondere Lignin oder Pilzmelanine, kommen als Vorstufe für stabile organische Substanzen im Boden. Darüber hinaus besteht ein beträchtlicher Teil der organischen Substanz in Böden aus feinverteilter Holzkohle (black carbon, charred organc carbon), die aus Vegetationsbränden stammt. Dieser pyrogene Kohlenstoff trägt vermutlich v.a. zur organischen Substanz in besonders dunkelhumosen Böden bei (v.a. Schwarzerde). Zusammenfassend: Was ist Organische Bodensubstanz? Definition: Alle im und auf dem Boden befindlichen abgestorbenen und umgewandelten pflanzlichen und tierischen Reste, z. B.: • Streustoffe: Abgestorbene Blätter, Nadeln, Wurzeln, Pilzhyphen, Tierkörper • Nichthuminstoffe: Kot, Holzkohle • Huminstoffe: Umwandlungs- und Abbauprodukte Bodenorganismen gehören nicht zur organischen Bodensubstanz: Maulwurf, Ziesel, Blindschleiche, Schnecke, Regenwurm, Insektenlarve, Pantoffeltierchen, Pilze, Algen, Bakterien Pflanzliches Ausgangsmaterial. • Cellulose (=Zellulose): häufigste Biopolymer, kristalline Eigenschaften Bsp.: Zucker Seite 17/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Wichtige Zuckermonomere in Böden Hemicellulose / Lignin: zweithäufigstes Biopolymer hochmolekulare, dreidimensionale Substanz in verholzten Pflanzen Bsp.: Conferyl-Alkohol (Vorstufe des Lignins) • Lipide: Zellwandbestandteile von Pflanzen und Mirkoorganismen Bsp.: Blattwachse, Zellmembran C26 n-Alkan. Inerter (reaktionsträge oder reaktionsunfähig) Kohlenstoff z.B. • Verkohlte Biomasse (=Charred Organic Matter, Char -Black Carbon) • Russpartikel (Soot-Black Carbon) • Kohle- und Russ-Staub aus industriellen Prozessen Gelöste Substanz (definiert als <0.45 mm) • DOM = Dissolved Organic Matter, besteht hauptsächlich aus • DOC (Dissolved Organic Carbon) und DON (Dissolved Organic Nitrogen) • DIC Dissolved Inorganic Carbon 2 Chemische Zusammensetzung organischer Bodensubstanz Huminstoffe (keine definierte chemische Verbindung) - Chemische Fraktionen: 3 “klassische“ Fraktionen (Humin-, Fulvosäure, Humin) • - Physikalische Fraktionen: Auftrennung nach Grösse und Dichte C (50%) H, O, N, S, P Gehalte organischer Kohlenstoff (%) im obersten Horizont: Auflagehorizonte/ Hochmoore 50, Niedermoore 15, Anmoorgleye 7-15, Dauergrünland bis 15%, Wald-, Ackerboden 2-5 Seite 18/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 3 Abbauprozesse der organischen Substanz - Mineralisierung: vollständiger mikrobiellar Abbau zu CO2 und H2O und Freisetzung von Pflanzennährelementen wie Mg, Fe, N, P, S - Humifizierung : Umwandlung in Huminstoffe = stark umgewandelte (hochmolekulare Substanzen ohne makroskopisch erkennbare Gewebestruktur 4 Stabilisierung der organischen Substanz Drei verschiedene Arten der Stabilisierung. Stabilisierung durch: 1. strukturchemische Eigenschaften (=Rekalzitranz) vor allem aromatische Verbindungen: feinverteilte Holzkohle, Lignin (-reste), Pilzmelanine 2. Wechselwirkungen mit der Mineralphase insb. < 2um Tonminerale / Eisenoxide + Org. Subs. = Ton- Humus- Assoziate (= organomineralische Verbindungen). Bindungsmechanismen (Ionen-, Wasserstoffbrücken-, Dipol-Bindung, hydrophobe Wechselwirkungen). Wasserstoffbrücken spielen eine besonders grosse Rolle bei der Bindung von grösseren organischen Molekülen, die dann auch trotz der schwächeren und weniger weit reichenden Einzelbindung sehr fest sein können. Organische Moleküle mit hohem Dipolmoment (Molekül mit ungleicher Ladungsverteilung) (z.B. Glycerin, Harnstoff, Pyridin) können an die Stelle von H2O-Molekülen in der Hydrathülle der austauschbaren Kationen treten und so eine Ion-Dipol-Bindung (oft über O-Brücken) eingehen. Diese Bindung ist umso bedeutender, je geringer der Wassergehalt des Systems ist. Hydrophobe Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Mineraloberflächen (z.B. Si-O-SiBindung) und hydrophoben Bestandteilen der Huminstoffe spielen vermutlich vor allem bei der Umhüllung von Quarzkörner mit Huminstoffen eine Rolle. - Grössere Huminstoffmoleküle: (vorwiegend an den äusseren Oberflächen der Tonminerale gebunden, dabei sind mehrere Bindungsarten gleichzeitig wirksam. Auch austauschbare Kationen der Tonminerale, insbesondere mehrwertige wie Ca2+ und Al3+, können die Festigkeit der organo- mineralischen Verbindung beeinflussen. Die Adsorption einer Huminsäure an einen Seite 19/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Smectit, der mit verschiedenen Kationen gesättigt ist steigt in der Reihenfolge Na+ < K+ < Ca2+ < Al3+ < Fe3+ an. Komplexierung mit Na+ < K+ < Ca2+ < Al3+ < Fe3+ Gefügebildung Die Bedeutung organo- mineralischer Verbindungen für den Boden liegt vor allem darin, dass die organischen Stoffe Mineralpartikel aneinander binden und dadurch zur Gefügebildung beitragen. Die Bindung an die Minerale der Tonfraktion macht die organischen Stoffe resistenter gegen mikrobiellen Abbau. Die Kationenaustauscheigenschaften der Tonminerale werden durch die Verbindung mit Huminstoffen offenbar kaum verändert. 3.1.3.3 Stabilisierung durch physikalische Trennung Mikroaggregate = Polysaccharide + humifizierte org. Subs. + Minerale Jahrzehnte stabil Makroaggregate =Mikroaggregate+ Wurzel + Pilzhyphen + Minerale Jahre stabil Ein dritter Weg der Stabilisierung leicht abbaubarer Substrate im Boden kann aus der physikalischen Trennung von Substrat und Zersetzer resultieren, die damit den Abbau unterbinden. Meist handelt es sich dabei um bereits teilweise abgebaute Pflanzenreste, die im Aggregatinnern eingeschlossen und für Mikroorganismen unzugänglich sind. Die Aggregierung des Bodens hat einen entscheidenden Einfluss auf die physikalische Trennung zwischen Substrat und Zersetzern. Die Aggregierungs steuert die Verteilung und Zusammensetzung der organischen Substanz und wird wiederum von der Bodenart und der Aktivität der Bodenfauna bestimmt. Dies findet auf verschiedenen Ebenen ab. Teilchen der Tonfraktion werden in Paketen von < 20 µm aggregiert, diese wiederum sind stabile Mikroaggregate mit einer Grösse von 20...250 µm verbunden. Daraus bauen sich Makroaggregate auf (>250 µm). Für die Aggregierungen sind wahrscheinlich Polysaccharide verantwortlich. 3.1.3.4 Stickstoff, Schwefel und Phosphor Stickstoff ist ein wichtiger bestandteil aller Himinstoffe. Der grösste Teil des Stickstoffs ist in Form von Peptidgruppen gebunden, aber auch in Form freier Aminogruppen vorliegend. Auch Schwefel ist in Huminstoffen stets enthalten. Bis zu 90% des Schwefels sind in organischer Form gebunden, davon ~30-75% als Sulfatester und auch C-gebundener Schwefel v.a. in Aminosäuren. Phosphor kommt in Huminstoffen häufig vor. Mehr als 50% des Gesamt-Phosphor in den Böden in Form von Phosphormonoester vorliegen. 3.1.4 Die org. Substanz des Bodens als Kompartiment im C-Kreislauf Die organische Substanz hat einen entscheidenden Einfluss auf alle Bodenfunktionen und spielt eine zentrale Rolle im globalen Kreislauf des Kohlenstoffs. Ca. 80% der terrestrischen organischen Kohlenstoffvorräte, die am aktiven C-Kreislauf teilnehmen, sind in Böden gebunden, nur etwa 20% in der Vegetation. Die Rückführung des gebunden C erfolgt über die Bodenatmung in die Atmosphäre überwiegend durch mikrobielle Oxidationsprozesse. 3.1.4.1 Gehalte und Mengen der organischen Substanz Die Gehalte der organischen Substanz (bzw. der Humusgehalt) variiert von Ort zu Ort und saisonal (z.T.) relativ stark. Die höchste Konzentrationen und Umsätze der organischen Substanz sind in den Oberböden zu finden. Die C-Gehalte sind im Unterboden, mit Ausnahme der Schwarzerden, Kolluvisole, Auenböden, Podsole, Vertisole und Andosole, sehr viel niedriger. Jüngere Inventurarbeiten zeigen, dass im Unterboden (B- und C-Horizonte) ebenfalls grosse Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen gespeichert sind. Die Humusgehalte im Unterboden liegen zwischen 1 und 10 g kg-1. Streuhorizonte dagegen haben Gehalte an organischer Substanz nahe zu 100%, ihre C-Gehalte liegen meist zwischen 400...450 g kg-1. Die Speicherung von organischem Kohlenstoff in Böden schwankt in einem weiten Bereich. Sie wird u.a. vom Klima, der Vegetation, also dem organischen Input, dem Grundwasserstand, der Durchwurzelungstiefe, und der Textur gesteuert. Globale Schätzungen ergeben, dass im ersten Seite 20/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Meter von Böden etwa 1 500 Pg organischer Kohlenstoff; 1Pg = 1015 g) gespeichert sind, davon 100 Pg C in den ersten 30 cm. Bei Berücksichtigung der Bodentiefe von 0 –2 m kommt es zu einer Summe von etwa 2400 Pg OC. Im Vergleich dazu beträgt der globale C- Vprrat in der pflanzlichen Biomasse nur etwa 500 Pg C. Die Speicherung von organischem C in grosser Bodentiefe ist bei Böden unter tropischen Savannen und immergrünem Regenwald besonders hoch, aber auch in gemässigten Breiten. Veränderungen oder Umverteilung der C-Vorräte im Boden sind somit für die globale C-Bilanz sehr wichtig. Der Speicherumfang ist dabei stark von der Feinheit der Textur abhängig (je feiner, desto mehr). 3.1.4.2 Umsetzungsrate und Verweilzeit der organischen Substanz im Boden Die Turnover time ist der Quotient aus Humusmenge des Bodens und järhlichem Input an organischer Substanz. Umsatzzeit (a)= Menge an OS (kg m-2) Jährliche Nettozufuhr (kg m-2 a-1) Der jährliche Input organischer Substanz beträgt etwa 3- 5% der Vorräte; etwa in gleichem Umfang wird C wieder an die Atmosphäre abgegeben. 3.1.4.3 Radiokohlenstoffalter der organischen Substanz Über die Bestimmung des Radiokohlenstoffalters kann die Verweilzeit der organischen Substanz in Böden abgeschätz werden. Das durch 14C- Datierungen bestimmte Alter der organischen Substanz ist durch Zufuhr, Mineralisierung, Umwandlung und Verlagerung organischer Substanz während der Pedogenese geprägt. 14 Horizont C-Alter (Jahre vor heute) Auflagehorizonte Rezent (relativ neu) Ah-Horizonte <500 Parabraunerde, Bt-Horizonte 2000...5000 Vertisole, 50 cm Tiefe 1000...4000 Vertisole, 150 cm Tiefe 3000...6000 Mollisole, Ah 80- 100 cm Tiefe 2600...3900 Abb. 14 C-Alter der organischen Substanz in verschiedenen Böden. Mit zunehmender Tiefe steigt das Radiokohlenstoff auf Werte zwischen 2500...4000 Jahre vor heute an. Die Altersunterschiede sind auf die unterschiedlichen Mineralisationsraten zurückzuführen (Podsole häufig jüngere 14C-Alter). Oft haben hierbei nicht die am schwersten löslichen Humine, sondern die Huminsäuren das höchste 14C-Alter, ein Hinweis auf den grossen Anteil junger, wenig zersetzter Pflanzenresten in der Huminfraktion und die hohe Abbauresistenz der Huminsäuren. Besonders stabilisiert gegen Abbau ist die organische Substanz durch TonHumus- Koppelung. Die älteste organische Substanz befindet sich in der Feinschluff- und Tonfraktion, z.B. bei Parabraunerden im Tonanreicherungshorizont. 3.1.4.4 13C-Isotopensignatur der organischen Substanz Die Umsetzung und die Verweilzeit der organischen Substanz kann auch durch die Bestimmung des 13C-Isotopensignals im Boden bestimmt werden. Dabei macht man sich zunutze, dass die 13 C-Signatur von C4-Pflanzen (z.B. Mais) sich deutlich von derjenigen von C3-Planzen unterscheidet. In französischen Feldversuchen stieg der Anteil des 13C in der organischen Bodensubstanz nach 23-jährigem Maisanbau um 5.5‰. 3.1.4.5 Modellierung des C-Umsatzes Grundsätzlich und empirisch erwiesen gilt bei der Umsetzung der organischen Substanz, dass die Umsatzrate in den verschiedenen Pools proportional zur Menge des vorhandenen Substrats ist. At=A0 e-kt At und A0 sind die Mengen an organischem C in Pflanzenresten zum Zeitpunkt 0 und zur Zeit t, k ist die Reaktionskonstante pro Zeiteinheit. Die organische Substanz befindet sich in diesen Modellen in einer endlichen Zahl von Kompartimenten (oder Pools). Seite 21/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Es gibt einen Austausch zwischen den Kompartimenten wie auch mit der Umgebung. Häufig werden die Umsatzraten durch Beziehungen mit der Bodenfeuchte, der Temperatur, dem Tongehalt, dem pH-Wert und der NVerfügbarkeit beschrieben (Abb. Rechts: Anteil des in den Boden inkorporierten C aus Mais in Korngrössenfraktionen eines Bodens, der 23 Jahre mit Mais kultiviert war. Das 13C-Signal aus dem Mais (C4-Pflanze) konnte in den verschiedenen Korngrössenfraktionen durch die Bestimmung des Isotopenverhältnisses verfolgt werden.). Meist werden drei Fraktionen, labil – intermediär – passiv, differenziert. Die labile Fraktion wird sehr schnell, innerhalb von Monaten oder wenigen Jahren umgesetzt, macht aber nur etwa 1-5% der organische Substanz aus (v.a. kurzfristige Nährstoffversorgung im Boden). In Ackerböden hat etwa die Hälfte der organischen Substanz eine mittlere Verweildauer von 1050% oder weniger, d.h. sie entspricht der intermediären Fraktion. Diese Fraktion ist vermutlich für die Fruchtbarkeit der Böden verantwortlich. Die passive Fraktion hat mittlere Verweilzeiten im Bereich von Hunderten bis Tausende von Jahren (relativ unbeeinflusste (Bewirtschaftung, Umwelt)). Manche Modellansätze beinhalten ausserdem eine inerte Fraktion, die als nicht abbaubar gesehen wird und daher konstant bleibt. Die labile Fraktion enthält unzersetzte, leicht verfügbare Reste von Pflanzen und Mikroorganismen. Im intermediären Pool finden wir v.a. partiell zersetzte Pflanzenreste, in denen sich das Lignin gegenüber den leicht abbaubaren Polysacchariden angereichert hat. Diese Fraktion wird vermutlich durch Aggregierung gegenüber dem Abbau geschützt und ist daher in aggregierten Böden von grosser Bedeutung. Die Zusammensetzung der passiven Fraktion ist noch sehr wenig geklärt. Alllerdings besteht die Annahme, dass organische Substanz mit sehr hohem Radiokohlenstoffalter, also langer Verweilzeit im Boden, vor allem im Hydrolyserückstand zu finden sind. 3.1.5 Einfluss der Standortbedingungen auf die Humusumsetzung im Boden 3.1.5.1 Anlieferung organischer Substanz Organische Stoffe werden dem Boden in Form von Bestandesabfall, Wurzeln und Wurzelausscheidungen, Erntrückständen, abgestorbenem Edaphon und als organische Dünger zugeführt. Die jährliche Streuerzeugung hängt vom Klima, vom Vegetationstyp sowie von den Bodenverhältnissen ab. In tropischen Regenwäldern und in Steppen wird am meisten Streu in die Böden eingetragen, während in Böden der borealen Nadelwälder aufgrund der ungünstigen Standortverhältnisse die jährliche C- Akkumulation am höchsten ist. Einen grossen Einfluss auf die Humusmasse von Böden und die Verteilung zwischen einzelnen Fraktionen haben Menge und Qualität der Streu bzw. der Ernte- und Wurzelrückstände und damit auch die landwirtschaftliche Fruchtfolge bzw. die Baumartenzusammensetzung. Mitteleuropa: 3 t ha-1 a-1 Trockenmasse an Ernte- und Wurzelrückständen verbleiben im Boden. Der Anbau von Leguminosen z.B. ist ein wirksames Mittel, den Humusgehalt der Böden konstant zu halten und zusätzlich die Fruchtbarkeit der Böden zu steigern, weil neben C auch reichlich N den Böden zugeführt wird. Seite 22/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Ökosystem Biomasse -2 gCm NettoStreuzuwachs eintrag -2 -1 gCm a Boden Corg Nt -2 -2 G m gm mikrobielle Masse C N Umsatz C -2 -2 C/N G m / g m / a C-Akkumulation -2 Gm a -1 Tropischer Regenwald 27000 1100 15300 760 20 2.4 Tropischer 710 50 / 2 / 0.07 Monsunwald 21000 800 10600 940 11 Nb Temperater Laubwald 14000 600 7100 660 11 2.4 Temperater 368 110 / 14 / 0,30 Nadelwald Nb Nb 12700 780 16 8.4 Borealer Nadelwald 9000 400 250 15500 1100 14 35 / 2.5 / 0.14 13.5 Savanne 1800 450 360 5400 320 17 60 / 8.7 / 0.17 Nb Steppe 1400 300 667 10500 790 13 215 / 51 / 0.32 Nb Kulturland 500 325 nb 7900 840 9 Nb / nb / nb Nb Halbwüste 350 45 nb 3300 260 13 Nb / nb / nb Nb Tundra 250 70 75 10800 1150 19 20 / 1 / 0.27 1.3 Vollwüste 100 1,5 nb 100 10 10 Nb / nb / nb Nb Häufige Menge, Verteilung und Umsetzung der organischen Substanz (Trockenmasse) in Ökosystemen unterschiedlicher Klimaten. Die Bodenatmung ist direkt mit der Nettoprimärproduktion gekoppelt. Je mehr organische Substanz zugeführt wird, desto höher ist auch die Bodenatmung. Allerdings wird diese Eigenschaft durch andere Faktoren beeinflusste, deren Organismen ausgesetzt sind. Der Humusgehalt eines Bodens wird also durch den Eintrag von Biomasse, deren Zersetzungsrate und die Menge an bereits vorhandener organischer Substanz gesteuert. 3.1.5.2 Klima und Relief Massgebliche Beeinflussung der organischen Substanz durch das Klima. Biomasseproduktion und mikrobieller Abbau sind unter den Bedingungen des gemässigt-humiden Klimas sehr eng mit der Temperatur korreliert. Trotzdem steigt der Humusgehalt nicht entsprechend der Streuzufuhr, da der zunehmende Mikroorganismenbesatz mit einer höheren Abbaurate verbunden ist, die dem entgegenwirkt. Die stimulierende Wirkung einer erhöhten Temperatur kann durch den abbauhemmenden Einfluss höherer Niederschläge und die dadurch bedingten anaeroben Verhältnisse sogar überdeckt werden. So haben die hohen Temperaturen in den Tropen nicht immer eine Verarmung an organischer Substanz zur Folge, auch wenn das häufige Fehlen einer sichtbaren Braun- oder Schwarzfärbung der Böden darauf hindeuten könnte (in indischen und afrikanischen Böden wurde eine Zunahme des Humusgehaltes festgestellt, bei Niederschlagszuwachs). In semiariden Steppengebieten kommen Schwarzerde besonders tiefgründig humose Böden mit hoher Bioturbation vor. Günstiges Klima im Frühjahr und im Frühsommer bewirken einen hohen Anfall eiweissreicher Gräser- und Kräuterstreu. Diese kann aber mit zunehmender Trockenheit im Jahresverlauf nicht abgebaut werden, weil die mikrobielle Aktivität zeitweilig wegen Wassermangel gehemmt wird. Vermutlich spielen aber auch Vegetationsbrände eine Rolle bezüglich der schwarzen Färbung der Böden (enthalten pyrogenen Kohlenstoff, der zum hohen Humusgehalt beiträgt). Halbwüsten- und Wüstenböden weisen generell geringe Humusgehalte auf, da durch lange Trockenheit kaum Vegetation entsteht. Schon geringe Unterschieden können zu grösseren ungleichen Bodenentwicklungen führen (z.B. Nordhang und Südhang Südhang höherer Bodentemperaturen fördern den stärkeren Abbau, als Nordhang mehr Humusgehalt im Nordhang). Dagegen kann es im Südhang zu höheren Humusgehalten kommen, wenn die Organismentätigkeit durch die verstärkte Verdunstung (Trockenheit) gehemmt wird (geringerer Humusabbau als im Nordhang). In Hanglagen ist der humose Horizont von der Hangkuppe zum Hangfuss hin mächtiger (Erosion). Seite 23/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 3.1.5.3 Bodeneigenschaften Die Mineralisierung wird durch einen häufigen Wechsel von Befeuchtung und Austrocknung gefördert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Kohlenstoffverbindungen in den zerfallenden Aggregaten den Mikroorganismen besser zugänglich sind und organische Stoffe durch Desorption (=Fremdatome verlassen die Oberfläche eines Festkörpers) freigesetzt werden. Säure Sandböden (z.B. Podsole) haben geringe Nährstoffgehalte, oder auch niedrige Bodentemperaturen hemmen den Abbau und führen zu Humusakkumulation. Humusgehalt und pH-Wert stehen nur in indirekter Beziehung zueinander: in stark sauren Waldböden kann eine Humusakkumulation mässig zersetzter Pflanzenrückstände zu einem Auflagehumus stattfinden, weil die anspruchslose Vegetation eine nährstoffarme und schwer zersetzbare Streu liefert. Ø pH Temp. Luft Wasser No3-N Corg Atmung Celluloseabbau -2 -2 -2 -2 -2 CaCl2 °C lm lm gm Kg m G CO2 m % Abbau Podsol 3.4 9.5 134 84 0.8 28.4 2.7 4 (Wald) Podsol 4.7 10.0 149 50 3.6 17.1 4.8 19 (Acker) Podsol3.4 13.5 166 72 1.8 22.0 3.1 6 Gley (Wald) Übergangs 3.5 11.1 43 224 0.7 35.3 2.2 1 -moor (Segge) Mittlere bzw. summierte Standort- und Bodeneigenschaften bis zu einer Tiefe von 50 cm unter Mineralbodenoberfläche von dystrophen (dys=fehl, troph=ernähren zu hoher Säuregehalt) Böden aus weichselglazialen Sanden in Norddeutschland. Tonreiche Böden haben unter gleichen klimatischen Bedingungen und bei gleicher C-Zufuhr oft einen höheren Humusgehalt als Sand- oder Schluffböden (vermutlich durch Kombination stabilisierender Prozesse durch direkte Interaktion mit der Festphase und Aggregierung). Höhere Humusgehalte feinkörniger Böden erklären sich: a) Aus der Fähigkeit von Tonmineralen, Aluminium- und Eisenoxiden, organische Stoffe zu absorbieren und damit den mikrobiellen Abbau zu vermindern, b) Dem höheren Gehalt an Aggregaten, in denen die eingeschlossenen Kohlenstoffverbindungen vor der Zersetzung durch Mikroorg. Geschützt sind und c) Den daher häufiger auftretenden anaeroben Bedingungen. Anreicherung von C und N nimmt in den feinen Fraktionen mit zunehmendem Ton und Schluffgehalt ab. Kalkzugabe zum Ackerboden: pH-Erhöhung wirkt sich sowohl auf die Mineralisierung wie auch die Streuproduktion (infolge höherer Erträge) aus, so dass sich beide Effekte ausgleichen. 3.1.5.4 Nutzungsform In jedem Boden stellt sich zwischen Abbau und Anlieferung ein Gleichgewicht ein. Dieser Zustand wird gestört, wenn die Nutzungsform verändert wird. Rodung und Inkulturnahme wirken sich stark auf die Humusdynamik aus. Die Abnahme des OC-Gehaltes (OC org. Kohlenstoff nimmt bei einem Eingriff den selben Lauf wie org. gebundenen Stickstoff) ist auf die Kombinationswirkung von Erosionsverlusten, biochemischen Abbau der organischen Substanz und Verdünnungseffekte durch Bearbeitung zurückzuführen. Naturbelassene Böden enthalten meistens mehr org. Subst. Je häufiger der lw- Eingriff, desto stärker sinkt der Humusgehalt. Dabei wird v.a. die Mineralisierung bisher physikalisch geschützter organischer Substanz aus Mikroaggregaten angeregt. Dieser durch intensive Belüftung und Aggregatzerstörung verursachte Abbau kann vermindert werden, wenn anstelle des Pfluges lockernde, nicht wendende Geräte bei der Bodenbearbeitung verwendet werden. 3.1.5.5 Düngung Der Humusgehalt kann direkt durch Zufuhr organischer Stoffe als auch indirekt durch anorganische Dünger beeinflusst werden, weil mit steigenden Erträgen auch die im Boden verbleibenden Wurzeln- und Ernterückstände zunehmen (Siehe Seite 71, interessantes Diagramm bezüglich des Humusgehalts in Bezug auf die Düngart vgl. Abb. 3.1-14). Seite 24/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Durch die Spezialisierung der LW wird heute überwiegend Gülle ausgebracht und das Stroh direkt eingearbeitet. Die zugelassenen Mengen an Gülle ergeben sich aus der Begrenzung der Nährstofffrachten, insbesondere der N-Frachten, da es sonst zu einer Belastung des Sickerund Grundwassers mit Nitrat kommt. Stroh hat ein sehr weites C/N-Verhältnis, sodass die Mikroorganismen der Böden zusätzlichen Stickstoff für den Strohabbau benötigen. Je feuchter und wärmer der Boden ist, umso schneller wird das Stroh abgebaut – vor allem, wenn es nach der Ernte möglichst bald gehäckselt flach in den Boden eingearbeitet wird. Die humusmehrende Wirkung der Gülle liegt deutlich unter der von Stallmist. Hier muss aber die getrennte Zufuhr von Stroh oder anderen Ernterückständen berücksichtigt werden. Klärschlämme und Biokomposte enthalten etwa 20-25% C in der Trockenmasse, meist verbunden mit hohen Nährstoff-, besonders N-Gehalten. Der Humusgehalt von Böden wird durch die entsprechende Kompostabgaben etwas stärker erhöht, als durch Stallmist, während Klärschlammgaben eine geringere Humusakkumulation bewirken. Die anorganische Düngung beeinflusst den Gehalt der Böden an organischer Substanz direkt über der Höhe der Einträge und damit der Ernterückstände. Je höher bei vergleichbarer Fruchtfolge die Erträge durch Düngung gesteigert werden, desto stärker wird der Humusgehalt der Böden angehoben. Gemäss Tests wird die stärkste Humusanreicherung mit der N-Düngung erreicht. 3.1.5.6 Einfluss globaler Umweltveränderung Heutige industrielle und verkehrsmässige Verhältnisse haben zu einer Erhöhung des CO2Gehalts der Atmosphäre geführt. Erhöhte CO2-Gehalte in der Atmosphäre sind zum Einen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und zum Anderen durch Humusabbau bei Landnutzungsänderungen entstanden. Die Inkultutnahme, die Abholzung der Wälder und die damit einhergehende Abnahme der Humusgehalte durch oxidativen Abbau haben also die erhöhten CO2-Gehalte der Luft mit verursacht. Quellen- und Senkenfunktionen von Böden werden somit stark durch menschliche Eingriffe geprägt. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe werden zur Zeit jährlich 5 Gt C, durch Waldrodung und Humusabbau hauptsächlich in tropischen Gebieten weiter 2- 3 Gt C als CO2 in die Atmosphäre freigesetzt, zusammen etwa 5-8 Gt (inbegriffen ist eine unbekannte CO2-Senke (missing sink Vermutung: in den Weltmehren oder in der Lebenden Biomasse). CO2-C System (nach Rohner 2006): Atmosphäre Erhöhter CO2 -Eintrag Angesichts der erhöhten Temperatur würde aber mehr Humus abgebaut, wodurch es zu einer weiteren Erhöhung der Co2-Freisetzung käme. Führt zu erhöhter abfallender Streumenge im Boden. Boden 3.1.6 Bedeutung der organischen Substanz für Böden und Pflanzen 3.1.6.1 Organische Substanz als Reservoir und Filter für Nähr- und Schadstoffe Das Nährstoffreservoir der organischen Substanz ist für das Pflanzenwachstum auf ungedüngten Böden von entscheidender Bedeutung. Die organische Substanz hat eine regulierende Funktion, bei der ein Überangebot an Nährstoffen gebunden werden kann, das später langsam und nachhaltig wieder freigesetzt wird. Die in den Pflanzenresten oder Huminstoffen gebundenen Nährstoffen werden nach mechanischer Zerkleinerung und Primärzersetzung durch die Bodenfauna von den Mikroorganismen in pflanzenverfügbare Form überführt. Gleichzeitig werden freigesetzte oder durch Düngung zugeführte Nährstoffe teilweise wieder in organische Bindung in Huminstoffe überführt. Je höher nun die biologische Aktivität in einem Boden ist, umso intensiver erfolgt die Nährstoffnachlieferung aus Humus. Dies gilt v.a. für N, der in den meisten Böden zu über 95% in organischer Bindung vorliegt. Auch das Adsorptionsvermögen der Huminstoffe ist für die Bindung vieler Nährstoffe, die in Form von Seite 25/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Kationen im Boden vorliegen, von Bedeutung. Im Laufe des Humifizierungsprozesses nimmt die KAK durch Oxidation und damit Einführung von Carboxylgruppen zu. Die mikrobiell gesteuerten Prozesse sind der Umsetzung organischer Substanz eng mit der Bidnung oder Freisetzung von klimarelevanten Spurengasen wie CH4, CO, H2, N2O und NO verknüpft. Die Prozesse in Böden tragen zu den globalen Emissionen von NOx etwa 30%, von N2O etwa 70%, von NH3 etwa 20% und von CH4 etwa 30% bei. Auch für die Bindung von anorganischen Schadstoffen in Böden hat die organische Substanz eine herausragende Bedeutung. Die Bindung von Schadstoffen an die organische Substanz steuert ihre Bioverfügbarkeit und damit auch ihre Persistenz (Unveränderbarkeit). Dadurch wird einerseits die unmittelbare Schadwirkung gegenüber Organismen verhindert, gleichzeitig auch die Verlagerung in tiefere Bodenbereiche oder in das Grundwasser verringert. 3.1.6.2 Physiologische Wirkung Zur organischen Substanz der Böden gehören auch zahlreiche Verbindungen mit Wirkstoffcharakter. In Böden wurden u.a. Vitamine, Wuchsstoffe, Enzyme und Antibiotika nachgewiesen. Diese Verbindungen haben in sehr geringen Dosen Wirkungen auf die Pflanzen und Bodenorganismen. Säuren und niedermolekulare Phenole können v.a. in sauren Böden wachstumshemmend wirken. 3.1.6.3 Bodenbiologische Wirkungen Die organische Substanz ist die Lebensgrundlage der heterotrophen Bodenorganismen, so dass bei gleichen Umweltfaktoren eine enge Beziehung zsichen Humusgehalt und biologischer Aktivität besteht. Der Erhaltung wegen bedarf es einer ständigen Zufuhr org. Substanz. Hohe Humusgehalte begünstigen das Wachstum saprophytischer (von faulenden pflanzl. Resten sich ernährende Pflanze) Organismen und unterdrücken dadurch die Entwicklung von Parasiten bzw. verhindern den Übergang von Saprophyten zu parasitärer Ernährung. 3.1.6.4 Physikalische Wirkung Die organische Substanz hat eine positive Wirkung auf die Strukturstabilität von Böden. Sie begünstigt die Bindung eines stabilen Aggregatgefüges, insbesondere in Braunerden, Parabraunerden und Schwarzerden (diese Wirkung eher geringer in Oxisolen und Andosolen, weil dort v.a. Oxide und Hydroxide stabilisiernd wirken). Humus besitz darüber hinaus eine hohe Wasserspeicherkapazität; er vermag etwa 3- 5fache seines eigenen Gewichts an Wasser zu speichern. Mulchdecken bewirken zudem eine Verringerung der Evapotranspiration und erhöhen die Infiltration von Wasser. Die Konsistenzgrenze der Böden werden durch Humus in Richtung höherer Wassergehalte verschoben, so dass die Bodenbearbeitung in einem grösseren Feuchtbereich der Böden ohne Gefügeschädigungen möglich ist. Die Huminstoffe bewirken die dunkle Farbe im Oberboden und begünstigen damit in kühlen Klimaten Erwärmung der Böden im Frühjahr (längere Vegetationszeit). Dieser Effekt kann allerdings durch die mit steigendem Humusgehalt erhöhte Wasserverbindung und damit Wärmekapazität überdeckt werden. Andererseits führt eine organische Auflage oder Mulch zu einer Isolierung des Mineralbodens gegenüber Temperaturboden. Seite 26/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 3.2 Bodenbiologie Die Gesamtheit der im Boden lebenden Organismen wird als Edaphon bezeichnet. Die Bodenorganismen beeinflussen die Pedogenese direkt (z.B. durch Graben, Verarbeitung toter org. Subst. Und vielfältige Stoffumsetzungen) oder indirekt (z.B. durch Fressen anderer Bodenorganismen oder lebender Pflanzenwurzeln). Permanente Bodenorganismen: alle Bodentiere, die sämtliche Lebensstadien im Boden verbringen (z.B. Nematoden) als auch die Mikroorganismen. Die temporären Bodentiere verbringen nur einen Teil ihres Lebens im Boden (z.B. Insektenlarven), während Die periodischen Bodentiere den Boden öfter verlassen und wieder aufsuchen (bodenlebende Säugetiere, z.B. Wühlmäuse). Bei den alternierenden Bodentieren wechseln sich ober- und unterirdische Generationen ab (z.B. Eichengallwespe, Reblaus). 3.2.1 Einteilung und Beschreibung Eine Einteilung des Edaphons in Mikro-, Meso-, Makro-, und Megafauna ist anhand der Körpergrössen möglich. Darüber hinaus bilden Bakterien, Pilze, Algen und Mikrofauna die Gemeinschaft der Mikroorganismen (Edaphon und lebende Wurzeln bilden die Biomasse). 3.2.1.1 Mikroorganismen Die Bakterien haben aufgrund grosser Zahl und hohen Diversität an Stoffwechselpotenzial eine grosse Bedeutung. Bakterien besitzen keinen Zellkern und werden allen anderen Organismen mit Zellkern (Eukaryoten) entgegen gestellt. Die Bakterien sind durch ihre Vielzahl und verschiedenartigsten Spezialisierungen zu umfangreichen Stoffumsetzungen befähigt. Rhizobium, Clostridium, Azotobacter oder z.B. Azospirillium können Luftstickstoff binden. Nitrosomonas und Nitrobacter sind massgeblich für die Nitrifikation verantwortlich. So können viele Bakterien im anaeroben Boden Nitrat zu Nitrit, Lachgas und atmosphärischem Stickstoff reduzeiren. Methanogene Bakterien können anaeroben Böden Methan erzeugen. Die Actinomyceten sind grampositive Bakterien, die wie Pilze ein Mycel bilden. Sie beteiligen sich an der Zersetzung und Humifizierung und verleihen den Böden den typischen Erdgeruch. Pilze durchziehen den Boden mit ihren zylindrischen Hyphen und bilden sporentragende Organe. Schimmelpilze (Gattungsname) sind wesentlich an der Zersetzung von Streu beteiligt. Seite 27/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Mykorrhiza-Pilze leben in Symbiose mit höheren Pflanzen. Ectomykorrhizapilze bilden Symbiosen mit den meisten Holzpflanzen der gemässigten und subarktischen Breiten, und sorgen über ihr Mycelgeflecht für eine verbesserte Aufnahme von Nährstoffen. Algen siedeln sich in den oberen Zentimetern der Böden an. Dort leben Grün-, Gelbgrün-, und Kieselalgen. Diese Organismen sind als Erstbesiedler von Gesteinen und extremen Standorten von Bedeutung, weil sie mit einfachen anorganischen Verbindungen als Nahrung auskommen (chemoautotroph). Die einzelligen Protozoen dominieren zahlenmässig innerhalb der Bodenfauna. Rhizopoden (Wurzelfüssler mit Amöben und Schalamöben), Ciliaten (Wimpertierchen) und Flagellaten (Geisseltiere) gehören zu dieser wichtigen Bodenorganismengruppe. Sie ernähren sich von gelösten org. Stoffen, Detritus (feinste Teilchen org. Sub.) und von Bakterien (bakteriophag). Die mehrzelligen Nematoden (Fadenwürmer) werden ebenfalls zur Mikrofauna gezählt (lang, aber sehr dünn). Viren, welche Bakterien und Actionomyceten befallen und von deren Stoffwechsel sie abhängen, tragen zur Populationsdynamik dieser Organismen bei und spielen eine Rolle bei der Verbreitung von Genen in der Bodenmikroflora. 3.2.1.1 Meso-, Makro-, und Megafauna Mesofauna lebt in lufterfüllten Hohlräumen. Gleiches gilt für Makro-, und Megafauna, die sich Hohlräume überwiegend selbst schafft. Die Aktivität von Ringelwürmer (Annelidae) ist bodenbiologisch von hoher Bedeutung. Zu ihnen gehören die kleinen Enchytraen und die Regenwürmer (Lumbricidae). Die Gliederfüsser (Arthropoden) werden in vier grosse Gruppen unterteilt: 1. Zur Gruppe der Spinnentiere zählen die Milben und die Hornmilben 2. zu den Krebstieren gehören Asseln 3. während zu den Tausendfüsslern die Doppelfüssler zu rechnen sind. 4. Zur Gruppe der Insekten gehören u.a. die Springschwänze, Käfer, Zweiflügler und Ameisen. Allesamt wichtige Streuzersetzer. Oft ist das juvenile Stadium (Larve) stärker im Boden aktiv, als das der adulten Tiere. Auch die Schnecken (Gastropoda) sind aktiv an der Pedogenese beteiligt und im Schlickwatt der Küsten viele Muscheln, Krebse, Schnurwürmer und Meeresborstenwürmer. Von den Wirbeltieren leben, zumindest zeitweilig, Maulwürfe und Nagetiere im Boden . 3.2.2 Untersuchungsmethoden 3.2.2.1 Mikroorgansimen Schwierigkeit in der bodenmikrobiologischen Analytik extrem hohe Diversität der Bakterienund Pilzflora (ca. 500 unterschiedliche bakterielle Arten bei einer Bakterienzahl von 0.1 – 1 Mia Bakterein pro Gramm). Durch die Analytik der Phospholipid-Fettsäuren in Bodenextrakten als biochemische Marker für die Diversität der Bodenmikroflora ist ein kultivierungsunabhängiger Zugang zur Erfassung der vorliegenden Vielfalt möglich (Schlussfolgerungen auf Ähnlichkeiten und Zusammensetzung der Bodenmikroflora bezüglich der Kultivierung, anderereseits das Vorhandensein von best. Organismengruppen). Ein weiterer wichtiger Ansatz ist durch die molekulargenetische Analytik der phylogenetisch bedeutende Gene für die ribosomalen Robonukleinsäuren gegeben. Dieses Thema ist zu schwer um zu verstehen! Es gibt die direkte Erfassung der Bodenmikroflora, bei der zur Gesamtzählung der DNSbindenden Fluoreszenzfarbstoff DAPI verwendet wird. Daneben die indirekte Erfassung der Bodenmikroflora bzw. deren Leistung mit Standartverfahren von der Bodenmikroflora als physiologische Einheit erfasst (nicht mehr strukturelle und funktionelle Erfassung, sondern Leistung der BMf). Im Gelände lässt sich die Menge an mikrobieller Biomasse grob aus Bodenart, Humusform und –gehalt sowie pH eines Bodens ableiten. Methoden: 1. Fumigation-Inkubation-Methode (FIM): MB des Bodens wird mit Chloroform abgetötet und anschliessend mineralisiert. Die Menge des freiwerdenden CO 2 bildet die Grundlage zur Errechnung des Mikroorganismen- Kohlenstoffs. Seite 28/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 2. Fumigation-Extraktion-Methode (FEM): Nach der Chloroformzugabe wird der MBKohlenstoff direkt ermittelt. 3. Methode der substrat-indizierten Respiration (SIR): Boden wird mit Glukose versetzt und die maximale Atmung in einem best. Zeitraum ermittelt. 4. Möglichkeit der Bestimmung von Enzymaktivitäten (Teilprozesse versch. Stoffwechselkreisläufe betrachten) Die Bodenatmung kann als Aktivitätsparameter über die Registrierung der CO2-Freisetzung pro Flächeneinheit erfasst werden. Bei Labormessungen können wichtige ökologische Faktoren (Temp., Feuchte, Redoxpotential etc.) simuliert werden, bei Feldmessungen muss man diese miteinbeziehen. 3.2.2.2 Bodentiere und deren Aktivität Die methodischen Probleme der Bodenzoologie sind in der Artenvielfalt, der Kleinheiten der Organsimen, der z.T. morphologischen Merkmalsarmut, der aggregierten Verteilung im Boden, der hochdifferenzierten Massendynamik und der ökophysiologischen Spezialisiertheit der Bodentiere begründet. Makromorphologische Beobachtungen können direkt im Gelände vorgenommen und beschrieben werden (Regenwurmgänge, Kotpartikel, Zerkleinerungsgrad, Streu, Humusauflage, Horizontabgrenzungen etc.). Mikromorphologische Untersuchungen erfordern eine exakte Probenahme sowie die Herstellung von Dünnschliffen, an denen z.B. der Gewebezustand der Streu oder Verteilung der Kotpartikel im Boden studiert werden kann (Kotballen sind wie Fingerabdrücke). Frassaktivitäten: Methode: Litter-bag-Methode: natürliches Streu in definierten Beutel gepackt und der Abbau kann man verfolgen. Beim Köder-Lamellentest wird eine pastöse Nahrungsmasse in Mikrobohrungen eines Prüfrähmchens dem Frass ausgesetzt. Nach der Prüfzeit werden die offenen Bohrungen ausgezählt. 3.2.3 Lebensbedingungen Die Lebensweise der Bodenorganismen ist den jeweiligen Bodeneigenschaften angepasst. Vorkommen und Verteilung hängt a) vom Nahrungsangebot, b) von der Grösse und Zahl der Hohlräume und des Porenraums, c) von Luft-, Wasser-, und Wärmeangebot der Böden ab. Lebensraum Mikroflora und Mikrofauna leben aquatisch in der Bodenlösung (Haft-, wie Sickerwasser). Sie sind vor allem im Oberboden angesiedelt, weil ihnen v.a. dort Nahrung geboten wird. Lebensraum der Mesofauna sind überweigend die längerfristigen lufterfüllten, grösseren Hohlräume des Bodens. Makro-, und Megafauna schaffen i.d.R. ihre Wohnhöhlen selbst. Dabei leben innerhalb einzelner Gruppen die kleineren Arten in der Streuauflage und im lockeren Oberboden, die grösseren hingegen als Tiefgräber weiter unten, weil dort mehr mechanische Energie zur Schaffung von Hohlräumen aufgewendet werden muss: Regenwürmer beispielsweise leben die 2-6cm kurzen Arten epigäisch (oberrirdisch) in der Streuauflage, die 5- 18cm langen Arten endogäisch (unterirdisch) im humosen Oberboden, und die 15- 45 cm langen anözischen Arten im bis zu 6 m tiefen Unterboden. Nahrung und Nährelemente Die meisten heterotroph lebenden Organismen dient dazu die fallende Streu und die tote bzw. lebende organische Bodensubstanz. Die Organismen decken ihren Kohlenstoff- und Energiebedarf durch den Abbau energiereicher organischer Stoffe zu energieärmeren. Funktionell müssen drei Trophiestufen unterschieden werden: Saprophage, phytophage und mycophage Primärzersetzer leben von der toten bzw. lebenden organischen Substanz. Koprophage Sekundärzersetzer leben von den Verdauungsprodukten der Primärzersetzer. Zoophage Räuber ernähren sich von anderen Bodentieren (Maulwurf, Spinnen). Nahrungsaufnahme und Abbautätigkeit der Mikroorganismen werden durch die vorangehende mechanische Zerkleinerung der Streu durch grosse Lebewesen sehr erleichtert. Das Endergebnis der Nahrungsketten ist die Mineralisierung (z.B. Bildung von H 2O, CO2, SO42-, NO3, CH4). Seite 29/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I Nur wenige Bodenorganismen sind C- autotroph, d.h. sie können aus CO2 und H2O organische Verbindungen aufbauen. Die photoautotrophen Mikroorganismen erhalten die nötige Energie, genau wie die höheren Pflanzen, aus dem Sonnenlicht und bauen ihre Zellsubstanz aus CO 2 auf. Chemolithoautotrophe Bakterien (z.B. nitrifizierende Bakterien) gewinnen ihre Energie aus der Oxidation von anorganischen Verbindungen und den Zellkohlenstoff aus CO 2 und H2O. Die auf diesen Weise gebundene Theorie wird von anderen Organismen durch Umkehrung der Prozesse (Atmung) wieder freigesetzt, sodass z.B. fakultativ anaeroben bzw. obligat anaeroben Bakterien diese anorganischen Verbindungen als Elektronenakzeptoren und damit zur Energiegewinnung zu Verfügung steht. Die Mehrzahl der Bakterien gedeiht optimal bei pHWerten zw. 6 und 8 und erreicht dann Anteile von bis zu 40% im Mikroorganismenbesatz der Böden. Wasser und Luft Die meisten Bodenorganismen leben aerob. Sie benötigen molekularen Sauerstoff zur Atmung. Das O2-Angebot ist eigentlich vom Sand bis zum Ton gewährleistet. Viele Mikroorganismen können allerdings in Form ruhender Cysten (z.B. bei Bakterien), Sporen (Pilze) oder speziell adaptierten vegetativen Zellformen Trocken- oder Nässeperioden oft jahrelang überstehen. Anaerobe Organismengruppen können auch ohne Sauerstoff leben, entweder zeitweilig oder vollständig (fakultativ- oder obligat anaerob). Zu diesen Gruppen zählen verschiedene Bakterien, sowie Hefepilze, die zwar anaerob leben könne, aber zur Bildung und Keimung ihre Sporen Sauerstoff benötigen. Die grösseren Tiere sind ausschliesslich auf Sauerstoff angewiesen und können bei stagnierender Bodennässe nicht leben (durch Luftmangel wegen Niederschlägen an die Oberfläche) so können Regenwürmer durch UV-Strahlung getötet werden. Temperatur und Wärme Das Temperaturoptimum der meisten Bodenorganismen liegt zw. 10 und 35°C. Oberhalb 80 °C töten die Mehrzahl von Lebewesen. Die biochemische Aktivität in Böden nimmt im Allgemeinen unabhängig von Klimabereich mit steigender Temperatur zu, wobei im Bereich zsichen 5 –30 °C eine Zunahme um 10 °C die mikrobielle Aktivität um das 2-3fache ansteigen lässt. Viele Arthropoden setzen im Winter ihren Gefrierpunkt durch einen hohen Glyveringehalt im Gewebe herab und können somit in gefrorenen Bodenhorizonten überdauern. Regenwürmer und Wirbeltiere suchen dagegen tiefere, frostfreie Horizonte auf. Bodenorganismen als Lebensgemeinschaft Die Zusammensetzung des Edaphon wird von den ökologischen Lebens- und Habitatbedingungen bestimmt. Quantität und Qualität der Lebensgemeinschaften unterscheiden sich in Abhängigkeit von Klima, Relief, Vegetation, Bodenform, Bodentiefe und Jahreszeit. Wechselbeziehungen Organismen könne sich gegenseitig beeinflussen lassen, fördern, hemmen oder sogar vernichten. Beim Abbau der organischen Stoffe werden verschiedene Organismen in der Nahrungskette gleichzeitig und/oder nacheinander aktiv. Viele Mikroorganismen sind auf bestimmte Stoffgruppen spezialisiert; nach deren Verbrauch werden sie von anderen Lebewesen abgelöst. Ein Ausfall spezieller Tierarten oder Organismengruppen kann die Vorgänge in einem Ökosystem erheblich stören. Rhizosphäre und Mykorrhiza In der unmittelbaren Umgebung lebender Pflanzenwurzeln, in der Rhizosphäre, bildet sich eine Lebensgemeinschaft mit höherer Besatzdichte und anderer Zusammensetzung als im umgebenden Boden. Die Lebewesen in der Rhizosphäre konkurrieren einerseits mit der Pflanze um Nährstoffe und Sauerstoff, können andererseits auch Nährstoffe freisetzen und den Pflanzen zugängig machen. In vielen Böden weisen die humosen Oberbodenhorizonte einen stärkeren Organismenbesatz auf als tiefer gelegene Horizonte, weil Nahrungsangebot (durch stärkere Durchwurzelung) und Streuzufuhr höher sind. Enthalten tiefer liegende Horizonte mehr Nahrung als höhere, kann der Organismenbesatz auch wieder ansteigen. So können mit Humus angereicherte Bh-Horizonte von Podsolen höhere Bakterienzahlen als höher gelegene humusarme Ae-Horizonte aufweisen. Die Feinwurzeln von über 90% der Blütenpflanzen leben Seite 30/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I in Symbiose mit Pilzen, der Mykorrhiza. Die von der Mykorrhiza ausstrahlenden Hyphen (Pilzfäden) vergrössern entscheidend die Kontaktfläche mit dem Boden. Darüber hinaus vermögen die Pilzfäden dank ihres im Vergleich zu Wurzelhaaren kleinen Durchmessers in engen Poren vorzudringen und diese für die höhere Pflanze zu erschliessen. Diese Pilzsymbiose kann daher die Stoff- und Wasseraufnahme durch die Wurzeln erheblich steigern. Die Mykorrhiza wirkt als „Antistressfaktor“ für höhere Pflanzen, der sich besonders bei erschwerter Wasser- und Nährsalzversorgung positiv auswirkt. Viele Waldbäume sind ohne die Wurzeln völlig ummantelnde Ektomykorrhiza nicht lebensfähig, da diese nicht nur Nährstoffe und Wasser für den Wirt aufnimmt, sondern auch vor bodenbürtigen Krankheitserregern schützt. In Kulturböden ist die Endomykorrhiza weit verbreitet (erleichtern Phosphoraufnahme in Parmen und in stark phosphorfixierten Böden der Tropen und Subtropen). Die Mykhorrizen sind auf die Wirzpflanzen angewiesen und entnehmen den Wurzeln Kohlenhydrate. Organsimenbesatz europäischer Böden Zahlenmässig dominieren stets die Mikroorganismen gegenüber grösseren Lebewesen. (Tabelle 3.2-2 Buch Seite 92) Die Angabe zur Masse der einzelnen Organismen relativ zu ihrer Atmungsleistungen (CO 2Ausstoss) geben einen genaueren Eindruck von ihrer Leistungsfähigkeit. Wie bei der Anzahl dominieren auch bei der Masse i.d.R. die Mikroorganismen. Die Gesamt(frisch)masse lebender Bodenorganismen kann 2.5 kg m-2 betragen, an dem die Mikroorganismen mit ca. 80% beteiligt sind. Kleine Organismen atmen relativ stärker als grosse, sodass die Zersetzungsleistung der Mikroorganismen sogar über 80% liegen kann. Die Bedeutung der Bodenorganismen ist in Böden unterschiedlicher Nutzung sehr differenziert. In stärker belebten Mineralböden beträgt der Masseanteil der lebenden Bodenorganismen an der geamten organischen Substanz 5-8%, ebenso wie der lebenden Pflanzenwurzeln. Siehe auch noch: http://hypersoil.uni-muenster.de/0/05/14.htm ,27.01.06 / Uni Münster Noch eine gute und zackige Homepage... 4. Bodenchemie 4.1 Sorption 4.1.1 Die sorbierende Oberfläche 4.1.2 System Sorbent - Sorbat 4.1.3 Ionensorption von Böden 4.1.4 Bestimmung der KAK 4.2 Bodenacidität 4.2.1 Wesen der Bodenacidität 4.2.2 H+-Ionen-Quellen 4.2.3 Puffersubstanzen und Pufferreaktionen 4.2.4 Boden-pH-Werte 4.2.5 Bestimmungsmethoden 4.3 Redoxreaktionen 4.3.1 Allgemeines 4.3.2 Eh-pH-Stabilitätsdiagramme 4.3.3 Redoxsysteme in Böden 4.3.4 Redoxpotentiale von Böden 4.3 5 5. Bodenphysik 5.1 Körnung und Lagerung Seite 31/32 UniBe | GIUB | WS 05/06 | Zusammenfassung Bodenkunde I 5.1.1 Entstehung der Körner Seite 32/32
