4 Boden. 4.1 Grundlagen. Boden mit charakteristischen Bodenhorizonten Bodenprofil Bodentyp. Aufbau und Zusammensetzung

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1 4 Boden 4.1 Grundlagen Aufbau und Zusammensetzung Lithosphäre - feste Gesteinshülle, ca. 100 km dick (griech. lithos, Stein; lat. sphaira, Kugel) Pedosphäre - Bodenhülle, wenige Dezimeter bis einige Meter dick (griech. pedon, Boden) Belebte Trennschicht zwischen Lithosphäre und Atmosphäre komplexes System durch Überlagerung der Phasen Gestein, Wasser und Luft Boden mit charakteristischen Bodenhorizonten Bodenprofil Bodentyp Ausgangsmaterial Klima Geographische Besonderheiten Biologische Aktivität Verwitterung Auswaschung Einwaschung

2 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

3 Bodenbestandteile Grünlandboden (Bliefert, 2002) Wasser 25 % Luft 25 % Mineralische Bestandteile 45 % Organische Bestandteile 5 % 50 % Poren

4 Gesteinsverwitterung und Verwitterungsprodukte Verwitterungsprodukte Minerale Gestein Sand, Kies SiO 2 Urgestein Granit Quarz Feldspat Glimmer SiO 2 Al 2 O 3 2 SiO 2 (aq) CaO Na 2 O, K 2 O Boden, Meer CO 2 SO 3 Lehm Ton Mergel Kalkstein Gipsstein Al 2 O 3 2 SiO 2 (aq) CaCO 3 CaSO 4 (aq) Verwitterungsarten physikalische, chemische und biogene Verwitterung

5 Typische Verwitterungsreaktionen von Mineralien chemische Verwitterung Mineral Wasser CO 2 Kation Anion Kieselsäure Tonmineral Kalk CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 - CaCO 3 + H 2 O Ca 2+ + HCO OH - Quarz SiO H 2 O + H 4 SiO 4 Feldspat NaAlSi 3 O /2 H 2 O Na + + OH H 4 SiO 4 + ½Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 NaAlSi 3 O /2 H 2 O + CO 2 Na + + HCO H 4 SiO 4 + ½Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4

6 Tonmineralien Kaolinit Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ], wichtigstes Tonmineral, Zweischichtsilicat Schichtflächenabstand nicht variabel, nicht quellbar Anlagerung von Ionen und Wasser nur an Außen- und Bruchflächen Montmorillonit ungefähr Al 2 (OH) 2 [Si 4 O 10 ], Dreischichtsilicat stark quellfähiges Tonmineral Schichtflächenabstand variabel durch Einbau von Wasser und Ionen zwischen den Schichten 1-1,8 nm ca. 0,7 nm

7 Huminstoffe - aromatisches Grundgerüst mit unterschiedlichen Substituenten (Bliefert, 2002) Aldehyd Carbonsäure Ether Ester Zucker Keton Phenol Amin Heterocyclus Peptid Huminstoffe - Bestandteile des Humus, insbesondere in Torf, Moorboden, Braunkohle, humushaltigen Böden hydrophile "Wasserspeicher", Komplexbildner (Ca 2+, Mg 2+, K + ) Ionenautauscher feste Bindung von Schwermetallen (Pb 2+, Cu 2+, Fe 3+ ) Anreicherung

8 Lebewesen in den oberen 30 cm / m 2 Boden Gruppe Anzahl Bakterien (1) Pilze (2) Einzeller (3) Fadenwürmer (4) Algen (5) Milben (6) Springschwänze (7) weiße Regenwürmer (8) 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

9 Ionenaustausch im Boden Kationen-Austausch wichtigste austauschbare Kationen Ca 2+, Mg 2+, K +, Na + sowie Al 3+ und H + ; Austausch an negativen Zentren von Tonmineralien und Huminstoffen in schwach sauren bis alkalischen Böden Ca 2+ -, Mg 2+ -, K + - und Na + -Ionen im Kationenbelag der Austauscher, in sauren Mineralböden Al 3+ - 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) Bindung von Anionen (z. B. Cl -, NO 3 -, SO 4 2- und PO 4 3- ) an positiven Ladungen der Austauscher bei steigendem ph-wert Erfolgt leichte Auswaschung (einwertige Ionen, NO 3 -!)

10 Bodenreaktion und ph-werte verschiedener mitteleuropäischer Böden (Enslinn, Krahn, Skupin 2000) Magensaft Essig Tomatensaft Sauberer Regen Milch Reines Wasser Blut Backpulver Ammoniakwasser ph-wert sauer neutral basisch Saurer Regen Hochmoorboden Sumpfwiesenboden Mischwaldboden Flachmoorboden Wiesenboden Kalkartiger Boden ph-einfluss u. a. Huminsäuren, Bodenatmung (CO 2 ), Kalkgehalt, Tongehalt

11 ph-wert-veränderung im Bodenwasser bei fortgesetztem Eintrag von Säure (Bliefert, 2002) ph-wert des Bodenwassers Carbonat-Pufferbereich: CO 3 2- Al-Pufferbereich: H + H + HCO - 3 ( CO 2 ) Tonminerale (T) im Austauscher-Pufferbereich: T O - M + + H + T O - H + + M + M + = Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ 2 [Al 6 (OH) 15 ] H H 2 O 6 [ Al(H 2 O) 6 ] 3+ Fe-Pufferbereich: FeO(OH) + 3 H H 2 O [ Fe(H 2 O) 6 ] 3+ Gesamte Säure im Boden

12 Schadstoffe im Boden Wichtige Gruppen organische Schadstoffe (O) Schwermetalle (M) Eintrag durch Verwitterung der Gesteine (M) durch Überschwemmung/Einlagerung (O, M) aus der Luft (O, M) durch Düngung, Pflanzenschutz (M, O) durch lokale Altlasten, Deponien (O, M) Anreicherung Fällung, Adsorption an Bodenmatrix, (M) Einbau (in Kristalle, Komplexe) Adsorption an Bodenmatrix (O)