Bodenwissenschaften (Fach) / Entstehung und Eigenschaften von Böden (Lektion)

Entstehung und Eigenschaften

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• Welche Faktoren sind maßgeblich an der Bodenbildung beteiligt? - Klima - Ausgangsgestein -> Zerkleinern & Umwandeln - Relief/Terrain - Flora und Fauna: Vegetation -> Ansiedlung v. Pflanzen -> Humusbildung  - Schwerkraft - Zeit - Wasser - Mensch
• Was ist der Unterschied zwischen Horizonten und Schichten? Horizonte = pedogen: unter gegebenen Bedingungen an Ort und Stelle entstanden Schichten = geogen: durch geogene Prozesse und Umlagerungen entstanden
• Sind Lössablagerungen als Schicht oder Horizont zu betrachten? = umgelagertes Material: Schicht
• Aus welchen drei Phasen besteht ein Boden und wie viel Prozent nimmt die jeweilige Phase ein? (Vgl. typische Braunerde) Festphase: 50% Flüssigphase: 25% Gasphase: 25%
• Nenne wichtige Eigenschaften von Böden. Wasserspeicher Wärmespeicher Nährstoffspeicher Filterkörper spezialisierte Oberfläche Lebensraum: Flora und Fauna
• Vergleiche typische Bodeneigenschaften von Braunerde und Ranker. Braunerde: besserer Wasserspeicher und Filter (tiefer) Ranker: besserer Nährstoffspeicher (unverwittertes Material, humoser Oberbodenhorizont Ah)
• Zwischen welchen Porengrößen wird unterschieden? Wie werden diese Porengrößen in der Regel genannt. Feinporen < 2µm Mittelporen 2 - 10µm Grobporen > 10µm
• Was sind die Unterschiede in der Entstehung von Basalt und Granit? Wie äußern sich diese Unterschiede in der Bodenentwicklung (auf jeweiligem Ausgangsgestein)? Basalt = Effusivgestein (Vulkanit) (basisch)Bildung an der Oberfläche, schnelle Abkühlung und Kristallisation=> feinkörnig, Minerale kaum erkennbaraufgrund feinkörnigem Material: schnelle Verwitterung -> schnellere Bodenbildungweniger stabil: bei Verwitterung schnellere Freisetzung der in Matrix erhaltenen Kationen (Al, Mg, Ca, K..) -> höhere Nährstoffverfügbarkeit Granit = Intrusivgestein (Plutonit) (sauer)langsame Bildung in der Tiefe durch Erkalten des silikatischen Magmas, langsame Abkühlung und Kristallisation => grobkörnig, Minerale erkennbarlangsamere Veritterung und Bodenbildungstabil
• Was ist der Unterschied zwischen Gesteinen und Mineralen? Minerale: Natürlich vorkommende Bestandteile der Erdkruste aus einheitlichen chemischen Zusammensetzungen (NaCl, CaCO3, Quarz: SiO2) Gesteine: Natürlich vorkommende feste Gemenge aus Mineralen, Gesteins- & Mineralbruchstücken und organischem Material (Sandstein, Marmor, Granit)
• Welche Kristallstrukturen gibt es bei silikatischen Gesteinen? Welche Eigenschaften besitzen diese aufgrund ihrer Struktur? Inselsilikate: Tetraeder über divalente Kationen (Mg2+, Fe2+) verknüpft -> nährstoffreich (z.B. Olivin) Ketten- und Bandsilikate: Verknüpfung der Silikattetraeder über O2-Atome zu Ketten und Bändern -> nährstoffreich, stabilder als Inselsilikate Gerüstsilikate: Dreidimensionale Verknüpfung, Tetraederzentren mit Al3+, Ladungsausgleich mit Ca2+, Na+, K+ -> nährstoffarm, sehr stabil (wichtig für Böden: Nährstoffe, Verwitterung, Bildung neuer Minerale) (z.B. Orthoklas, Feldspäte) Schichtsilikate: Regelmäßige 2:1-Anordnung von Si-Tetraedern und Al-Oktaedern in Schichtform, zwischen Schichten sind Kationen (Mg2+, K+) (z.B. Muskovit, Biotit (heller und dunkler Glimmer)) -> nährstoffarm, aus Biotit leichter freisetzbar Spezialfall Quarz: kein Ladungsausgleich nötig da alle Tetraeder über Si-O-Si-Verbindungen verknüpft -> stabilste Silikatvariante, keine Nährstoffe, Muschelbruch
• Was sind Silikate? = geogene Minerale, die während Bodenbildung nicht chemisch verändert werden
• Was ist besonders an Schichtsilikaten? = primäre Minerale (geogen), die sich im Lauf der Bodenentwicklung zu sekundären Mineralen/Oxiden verändern z.B. Glimmer
• Welche Eigenschaften haben Minerale? Kristallstruktur Strichfarbe (Farbe des Pulvers vom festen Material unterscheidet) Spaltbarkeit (Tendenz eines Kristalls bei mech. Beanspruchung entland glatter Flächen zu brechen -> entlang Kristallstrukur) Bruch (Wenn nicht entlang Kristallstrukur bricht bei mech. Beanspruchung entlang unregelmäßiger Flächen, Muschelbruch) Härte (Ritzhärte nach F. Mohs)
• Welche gesteinsbildenden Minerale kennen Sie? Orthoklas, Quarz, Biotit, Plagioklas => Granit
• Wie verläuft die Bodenentwicklung allgemein auf silikatischem Gestein? - Verwitterung - Besiedlung durch Flechten o.Ä. - Akkumulation v. org. Substanzen (Beginn Humusbildug) - Bildung 1. initialer Boden: Syrosem (Ai/imC) - ab ca. 10cm Humusaakumulation: Ranker (Ah/imC) (in gem. Breiten) - verstärkte Säureverwitterung (Verwitterung prim. Minerale) - Gründigkeit d. Bodens nimmt zu durch Verwitterung, Verlehmung, Verbraunung - Differenzierung Ober- und Unterboden - ab gewisser Mächtigkeit d. Unterbodenhorizonts: Braunerde (Ah/Bv/Cv)
• Welche Bodentypen sind hier beschrieben: Ah/imC Ai/imC Ah/Bv/Cv Ai/ilC Ah/ilC Ah/imC -> RankerAi/imC  -> SyrosemAh/Bv/Cv -> BraunerdeAi/ilC -> LockersyrosemAh/ilC -> Regosol
• Welche Arten der physikalischen Verwitterung gibt es? Nennen Sie Beispiel. Gravitation: Zerkleinern des Materials durch Aufprall Temperatur:- Insolation: durch Farbe bedingtes unterschiedliches Ausdehnen des Mat. bei      Erwärmung, durch örtl. unterschiedliche Erwärmung-Frostsprengung: Eis dehnt sich aus! Wasser in Haariss, bei Frost und Kälte -> Vergr. des Spalts Wurzelwachstum: Eindringen in vorhandene Risse und Ausdehnung durch Wachstum Salzsprengung: Kristallisation von Salzsäure in ariden Gebieten Zermürbung: Druckentlastung, Vergrößerung d. Oberflächen
• Welche Formen der chemischen Verwitterung gibt es? Lösungsverwitterung: Auflösung durch Anlagerung von H2O-Molekülen, Kationen und Anionen gehen in wässr. Phase über ("Salze" < Gips, Sulfate < Carbonate/Phosphate < Silikate) Hydrolyse: Reaktion mit Hydroxidionen (bzw Protonen (H+) -> Protolyse: Silikatverwitterung) Säureverwitterung: Reakt. mit Protonen aus org. Mineralsäuren (Kalkverwitterung: CaCO3, Calcit (MgCa)CO3, Dolomit) Oxidation: von reduzierten Spezies: Fe(ll), Mn(ll), S(II) -> Bildung neuer Phasen und Versauerung (z.B. Olivin, Pyrit) 
• Zeigen Sie unter welcher Reaktion Kalkstein chemisch verwittert wird. Kalkverwitterung (Säureverwitterung): CaCO3 + H+ --> Ca2+ + HCO3-
• Welche Vorrausetzungen müssen für die chemische Verwitterung gegeben sein? Relativ große Oberfläche (physikalische Verwitterung) Wasser als Transport- und Lösungsmittel bestimmte Temperaturen für Reaktionen und Löslichkeit
• Welche Minerale/Oxide zeigen einen „alten“ (stark entwickelten) Boden an? Gibbsit, Hämatit, Goethit (allg. Hydoxide/Oxide), Tonminerale (z.B. Kaolinit)
• Wie unterscheiden sich die Korngrößenfraktionen in ihrer allgemeinen Zusammensetzung? Sand: < 90% Quarz, < 10% Feldspäte Schluff: < 70% Quarz, < 10 % Feldspäte, < 20% Glimmer, < 10% Tonminerale und Oxide Ton: < 10% Quarz, < 5% Feldspäte und Glimmer, < 80% Tonminerale und Oxide
• Wie sind Tonminerale aufgebaut (Anhand eines selbstgewählten Tonminerals die Struktur und Zusammensetzung erklären)? Aus Tetraeder- und Oktaederschicht:Si-Tetraeder -> isomorpher Ersatz: Si4+ gegen Al3+Al-Oktaeder -> isomorpher Ersatz: Mg2+, Fe2+ gegen Al3+ Bsp: Kaolinit (Zweischichttonmineral 1:1): abwechselnd Tetraeder und Oktaeder m.h. von Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten  Tetraeder (Si4+) mit O2 verbunden, Oktaeder (Al3+) mit OH-
• Was sind die Eigenschaften des Zweischichttonminerals Kaolinit? Negativ geladenNicht aufweitbarkeine Wassereinlagerungkein Quellenam Ende intensinsiver Verwitterung, kaum isomorpher Ersatz i.d. Tropen (Si-armes Mileu)Böden => geringe Fruchtbarkeit
• Wie sind Tonminerale definiert? = sekundäre Silikate < 2µm, Teil der Tonfraktion (>65%) gebildet im Lauf der Bodenbildung durch protolytische Verwitterung primärer Silikate (Protolyse) Aus Tetraeder- und Oktaederschichten aufgebaut  Negativ geladen Speichern Pflanzennährstoffe
• Was sind pedogene Minerale? gebildet im Lauf der Bodenbildung durch Verwitterung primärer Minerale => sek. Minerale v.A. Tonminerale, Oxide des Fe, Mn, Al
• Von was ist die chemische Verwitterung abhängig? Wasserlöslichkeit: "Salze" < Gips < Calcit < Dolomit Struktur d. Silikate: Inselsilikate < Kettens. < Bands. < Gerüsts. (Feldspäte < Quarz) Fe(ll)-Gehalt: Biotit < Muskovit Silikate: Olivin < Pyroxen < Amphibol < Biotit < Muskovit = Orthoklas < Quarz
• Welche Bodenarten gibt es? Bodenskelett > 2mmBlöcke > Steine, Geröll > Kies, Grus Feinboden/-erde < 2mmSand (S) > Schluff (U) > Ton (T)-> 3 Korngrößenfaktoren aber 4 Hauptbodenarten: + Lehm (S+U+T)
• Nennen Sie wichtige Eigenschaften von 3 Schicht Tonmineralen (2:1; Bsp. Illit/Vermiculit) Wenig aufweitbar, da Kationen nicht vollständig hydratisiertfester Schichtzusammenhalt durch nicht austauschbare eingelagerte K+-Ionenaus Glimmerverwitterung (z.B. Biotit)wichtig für K-Ernährung, Pflanzennährstoffe -> Freisetzung möglichnegativ geladenHohe Oberfläche für Kationen/Wasser (Speicher gegen Auswaschung, Reaktionsfläche, Anschwellen, Puffer, Gefügebildner)
• Nennen Sie wichtige Eigenschaften des Dreischichttonminerals Smektit. aufweitbar -> variable Wassereinlagerung: Quellen und Schrumpfen hydratisierte Kationen in Zwischenschicht (Ca, Mg, etc):- locker gebunden- austauschbar- potenziell pflanzenverfügbar
• Nennen Sie wichtige Eigenschaften der Chlorite. = meist pedogene Minerale (auch prim. Minerale) Einlagerung von Hydroxidschichten in Zwischenschicht (mit Mg, Al, Fe, etc) nicht vollst. hydroxyliert: positiv geladen nicht aufweitbar, kein Ionentausch
• Nennen Sie wichtige Eigenschaften von Allophan. = pedogenes Mineral fixiert Phophat grobe Fraktion, meist unveränderte Minerale  Tonfraktion (< 2µm) aber sehr reaktiv (große Oberfläche) Nährstoffspeicher, verhindert Auswaschung  Puffer gegen H+ (Versauerung) und Schadstoffe Gefügebildner: Teilchen haften aneinander und bilden sich selbst & Grobteilchen
• Was wird durch isomorphen Ersatz beschrieben? Welche Auswirkungen ergeben sich aus diesem Prozess? Bei Neubildung oder Auskristallisation kann es bei Mangel oder Überschuss einzelner Elemente zum Ersatz des Zentralatoms kommen (Tetraeder: Si4+ (4-wertig) gegen Al3+ (3-wertig), Di-Oktaeder: Al3+ gegen Mg2+, Tri-Oktaeder: Mg2+, Fe2+ gegen Al3+)=> bewirt meistens Ladungsdefizit (aber auch teils Ladungsüberschuss) Defizit: Kompensation, einbauen von K+ oder anderen Kationen in Gitter Tonminera = stark negativ durch isomorphen Ersatz -> Anlagerung ein- oder mehrwertiger Kationen -> Nährstoffverfügbarkeit
• Aus welchen Silikaten können sich Tonminerale bilden? Gerüstsilikaten: Feldspäte z.B. Orthoklas, Albin, Anorith Schichtsilikaten: Blattspate, Phyllospate (Glimmer)
• Nennen Sie Quellen die zur Bodenversauerung beitragen. Bildung Kohlensäure -> CO2 aus Wurzelatmung, Respiration, Atmosphäre-> kontinuierliche Produktion, pH 5-7 Organische Säuren (aus Umsatz von OS/Wurzelexsudate/Protonenpumpe) Nitrifikation Mineralisierung Oxidation von Fe-Sulfiden Saurer Regen (HNO3, H2SO4)
• Warum ist ein zu saurer Boden schlecht für das Pflanzenwachstum? Ab bestimmten pH (<5) geht Al3+ in Lösung, freies Al ist toxisch für Fauna, außerde, kann zu niedriger pH Wurzeln schaden
• In welchem pH Bereich wirkt der Carbonatpuffer? Was bedeutet es für den Carbonatgehalt, wenn der Boden pH geringer ist als der Pufferbereich? pH 6,5 - 8 -> Carbonat vollständig aufgelöst
• Welche Oxide/Hydroxide kennen Sie? Nennen Sie Eigenschaften. Gibbsit (Al3+) -> farblos - weiß-> entsteht bei sehr niedriger Si-Konz, also intensiver Verwitterung: Tropen Hämatit (Fe2+) -> blutrot-> entsteht durch höhere Temperaturen: Tropen Goethit (Fe2+) -> gelb-braun-> bildet feine Nadeln, mittl. Temp., stabil Lepidokrokit (Fe2+) -> orange-> ensteht durch Stauwassereinfluss, kleinräumiges Vorkommen Ferrihydrit (Fe2+) -> braun-> junges Hydroxid, bei schneller Ox., schlecht kristallin (nicht amorph)-> in wärmerem Klima: Umwandlung in Hämatit
• Erkläre Verbraunung und Verlehmung. Verbraunung:Bildung Fe-Oxide nach Silikatverwitterung, in mittleren Breiten v.A. Goethit und Ferrihydrit Verlehmung:Bildung von feinem lehmigen Material: Minerale der Tonfraktion (v.A. Tonminerale), in mittleren Breiten v.A. Dreischichttonminerale
• Was ist Vergrusung? Zerstörung des Gesteinverbandes -> ganz am Anfang der Bodenentwicklung
• Welcher Prozess wird mit der KAK (Kationenaustauschkapazität) beschrieben? Reversible Anlagerung von Kationen an negativ geladene Mineraloberfläche (Adsorption und Desorption) permanent durch isomorphen Ersatz oder abhängig durch pH-Änderung
• Wovon ist die KAK abhängig? Art der Tonminerale Textur Oberfläche pH Anteil an OS
• Welches Verhältnis wird bei der Basensättigung beschieben? Basensättigung (%) = Summe der Äquivalentgehalte der austauschbaren Kationen / KAK x 100
• Wie wird der pH-Wert des Bodens gemessen? Böden werden suspendiert:1 Teil Boden + 2,5 Teile M CaCl2 (oder 0,1 M KCl oder Wasser) schütteln bis Gleichgewicht eingestellt setzen lassen der Bodenpartikel  Messen mit pH-Elektrode
• Was ist der Ladungsnullpunkt? Wenn Ladung = 0: positive und negative Ladung gleichen sich exakt aus
• Wie trägt die Organische Substanz an der KAK bei? OS verfügt über hohe KAKpot (150 - 500 cmolc/kg)  v.A. tonmineralarme (sandige) Böden sind deshalb für Katioenadsorption (Nährstoffspeicher) auf OS angewiesen
• Durch welche Mechanismen wird Humus stabilisiert? Rekalzitranz: schwer abbaubare Moleküle (z.B. hocharomatische Moleküle wie Lignin) Bindung an Mineralphase (es muss erst Energie zum Lösen des Moleküls aufgebracht werden) Erhalt durch verringerte räumliche Zugänglichkeit (z.B. Einschluss in Aggregaten)
• Durch welche Mechanismen wird Humus stabilisiert? Rekalzitranz: schwer abbaubare Moleküle (z.B. hocharomatische Moleküle wie Lignin) Bindung an Mineralphase (es muss erst Energie zum Lösen des Moleküls aufgebracht werden) Erhalt durch verringerte räumliche Zugänglichkeit (z.B. Einschluss in Aggregaten)
• Wie ist organische Bodensubstanz & Humus definiert? OBS: Alle in und auf Mineralboden befindelichdn abgestorbenen tierischen und pflanzlichen Stoffe und deren organische Umwandlungsprodukte (org. Auflage, org. Substanz in Mineralkörpern, im Bodenwasser gelöste Stoffe (DOM)) Humus/Huminstoffe: stark umgewandeltes, schwer abbaubares organisches (meist schwarzes) Material, Gewebestruktur nicht erkennbar
• Wie bildet sich organische Bodensubstanz? Transformationsprozesse:  1. Abgestorbene Biomasse 2. Mechanische Zerkleinerung, Vermischung, Einarbeitung in Boden (Bioturbation) 3. Umsetzen durch Mikroorganismen  4a. Mineralisierung (Umwandlung zu CO2 und H2O) 4b. Stabilisierung/Humifizierung (Bildung stark geschützter OBS)

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