Bodenkunde (Fach) / ekundäre Bildungen, bodenbürtige Stoffe (Lektion)

Wie in der vorigen Vorlesung erläutert, unterscheidet man in der Bodenkunde die Ausgangsmaterialien, die auch in entwickelten Böden noch als „ererbte“ Substanzen vorhanden sein können sowie die sekundären Bildungen im Boden. Unter den ökologischen Bedingungen des Bodens werden Stoffe erbrütet, die in in der Kombination ihrer Eigenschaften viele Bodenfunktionen, insbesondere die Bodenfunktion als Basis terrestrischer Primärproduktion, überhaupt erst ermöglichen.

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• 1. Organische und anorganische Ausgangsmaterialien im Boden unterliegen Umwandlungs- und Verlustprozessen. Ein Teil wird in pedogene, sekundäre Stoffe umgewandelt. Wie heißen diese Prozesse, wie heißen die dabei entstehenden Produkte? Humifizierung: organisches Primärmaterial (Streu, also abgestorbene Biomasse) wird zu Huminstoffen reorganisiert  physikalische und chemische Verwitterung: Primäre Minerale wie Feldspäte, Glimmer etc. werden durch physikalische Verwitterung  in kleinere Einheiten zerlegt. dann chemische Umwandlung von einzelnen Gesteinskörnern → Dabei bilden sich zB  Tonmineral
• 2. Erläutern Sie den Unterschied zwischen physikalischer und chemischer Verwitterung. physikalische Verwitterung: nur eine Zerkleinerung statt, die Kristall- oder Molekularstruktur bleibt erhalten. → zB Frostsprengung, Abrasion ((Partikel werden durch Wasser/Wind gegen gestein geschleudert) chemische Verwitterung: eine molekulare Umgestaltung, die Struktur der Verbindung wird verändert → zB durch Hydrolyse (=der Kristallverband wird durch den Einbau von Wassermolekülen aufgelöst, wichtig bei -Si-O-Si-) Säureangriff (=das Proton der Säure ersetzt Metallkationen wie K, Na, (1 Proton) oder Ca, Mg (2 Protonen) Oxidation (reaktion mit Sauerstoff) Hydratation (lösliche Kristalle werden in Wasser in ihre Ionen aufgelöst)
• 3. Erläutern Sie kurz 3 typische Grundreaktionen der chemischen Verwitterung. Welche davon hat unter unseren klimatischen Bedingungen die größte quantitative Bedeutung bei der Verwitterung? Bei chemischer Verwitterung findet eine molekulare Umgestaltung statt, die Struktur der Verbindung wird verändert → zB durch Hydrolyse (=der Kristallverband wirddurch den Einbau von Wassermolekülen aufgelöst, wichtig bei -Si-O-Si-) Oxidation (reaktion mit Sauerstoff) Hydratation (lösliche Kristalle werden in Wasser in ihre Ionen aufgelöst) am wichtigsten:  Protolyse= Säureangriff (=das Proton der Säure ersetzt Metallkationen wie K, Na, (1 Proton) oder Ca, Mg (2 Protonen)
• 4. Bei der chemischen Verwitterung von Silikaten ist ein Prozess pH-abhängig und verbraucht Protonen, ein anderer ist im weiten Rahmen unabhängig vom pH-Wert. Welche Teilprozesse sind das? chemische Verwitterung von Silikaten: pH neutraler Anteil: die Hydrolyse Si-O-Si Bindungen Der Kristallverbund wird durch den Einbau von Wasser aufgelöst → Auflösung der -O-Si-O-Bindungen in den Siliziumtetraedern pH- abhängiger Teil: die Protolyse der -O-Me Bindungen. Die Auflösung der -O-Me (Me= beliebiges Metallatom) Bindung verbraucht Protonen. Eine Solche Reaktion nennt man “Säurepufferung”. Metallkationen werden durch Protonen ersetzt und das Silikat löst sich auf. 
• 5. Inwieweit ein Stoff im wässrigen Millieu über lange Zeit verwittert oder stabil bleibt, kann man in Stabilitätsdiagrammen darstellen, auf deren Achsen z.B. der pH-Wert und die Ionenkonzentrationen dargestellt sind. Warum sind die auf thermodynamischen Gleichgewichten beruhenden Stabilitätsdiagramme für die aktuellen, tatsächlichen Mineralgehalte der Böden nur von begrenzter Aussagekraft? Die Phasendiagramme oder Stabilitätsdiagramme beruhen auf der Annahme von Gleichgewichtszuständen. Diese Gleichgewichtszustände treten im Boden fast nie ein, da die Umgebungsbedingungen nicht lange genug konstant bleiben. (Mineralverwitterung kann 100e Jahre dauern!) Insofern sind sie für die Beurteilung konkreter natürlicher Systeme nur von begrenztem Wert. → Die Diagramme geben nur Hinweise auf die Richtung der Mineralbildungsprozesse.
• !!6. Nennen Sie ein Beispiel, wie durch chemische Verwitterung eine physikalische Lockerung/Zerlegung des Gesteinsverbandes eintreten kann. Bsp. Biotit Größere Biotit Gesteinsstücke werden zunächst durch die physikalische Verwitterung fragmentiert zu kleineren Korngrößen. durch die sehr starke Verkleinerung kommt es zu einer chemischen Umwandlung:  an den Randbereichen können die eingelagerten Kalium-Ionen beweglich werden. Durch einlagerung von Wasser kommt es zu einer randlichen Aufweitung der Zwischenschichten. Durch diese aufweitung der zwischenschichten wird das Gestein auseinander drückt und kann gesprengt werden.  Diesen Biotit extrem kleiner Korngröße nennt man Illit
• 7. Erläutern Sie, wieso das Tonmineral Illit als Produkt eines Grenzfalls zwischen physikalischer und chemischer Verwitterung angenommen werden kann. Bsp. Biotit Größere Biotit Gesteinsstücke werden zunächst durch die physikalische Verwitterung fragmentiert zu kleineren Korngrößen. durch die sehr starke Verkleinerung kommt es zu einer chemischen Umwandlung:  an den Randbereichen können die eingelagerten Kalium-Ionen beweglich werden. Durch einlagerung von Wasser kommt es zu einer randlichen Aufweitung der Zwischenschichten. Durch diese aufweitung der zwischenschichten wird das Gestein auseinander drückt und kann gesprengt werden.  Diesen Biotit extrem kleiner Korngröße nennt man Illit. Dieser Prozess ist weder rein physikalisch, da es zu einer Veränderung der Struktur kommt, noch rein chemisch, da der Biotit erst zerkleinert werden muss.
• 8. Bei der Tonmineralneubildung kann es zu isomorphem Ersatz von Zentralionen sowohl in den Tetraedern als auch in den Oktaedern kommen. Welche Ionen sind am isomorphen Ersatz a) in den Tetraedern b) in den Oktaedern beteiligt (wer ersetzt wen, Folgen für die Gitterladung). Im Gitter können ohne starke Veränderung der Gestalt („morphe“) Ionen durch andere Ionen ähnlichen Durchmessers ersetzt werden.  In den Tetraedern kann Si durch Al ersetzt werden  Dieses ist nur 3-wertig positiv geladen (Si 4+) und führt zu einer einfach negativen Schichtladung.  In den Oktaedern (größeres freies Zentrum) kann Al durch Fe ode Mg ersetzt werden.  Magnesium und Eisen II führen zu einer zweifach negativen Schichtladung.
• !!9. Tonminerale kann man als Schichtsilikate von den Glimmern ableiten. Nennen und erläutern Sie 3 Unterschiede zwischen den im Boden entstehenden Tonmineralen und den Glimmern (bzw. anderen gesteinsbürtigen Phyllosilikaten) Im gegensatz zu glimmer zeichnen sich tonminerale aus durch:  1. Stöchimetrie und Ladungen sind nicht fest definiert 2. Kationenaustausch: Die Ionen der Tonminerale sind locker gebunden und könnenausgetauscht werden mit Kationen (Kationenaustausch → kurzfristiger Nährstoffspeicher) 3. Quellfähigkeit: ermöglichen Ausbildung eines Bodengefüges sowohl mit guten Belüftungs als auch Wasserspeichereigenschaften 4. schwach kristallisiert: sorgt für Ungleichmäßigkeit der Oberfläche und kleine Kristallgröße: → große aktive Oberfläche, ermöglicht viele Oberflächenreaktionen, mikrobieller Lebensraum, Bodenfunktionen 
• !10. Was versteht man unter der „Elementarschicht“ eines Tonminerals? Wie groß kann man sich den Kristall eines Tonminerals vorstellen, aus wieviel Elementarschichten (Größenordnungen) sind sie aufgebaut? Elementarschicht = eine Tetraeder-Oktaeder-Tetraeder-Schicht. Die Elementarschichten sind ca. 0,001 bis 0,0015 µm dick. Kristall Größe: 0,1 bis 0,15 μm/<2μm Anzahl seiner Elementarschichten: je 10-100 Elementarschichten. 
• °11. Nach welchen Kritierien werden Tonminerale eingeteilt? Erläutern Sie drei der Kriterien mit einem Beispiel. → Werden eingeteilt nach Eigenschaften, die für die Bodenfunktion relevant sind: Beispiel Kaolinit:  1. Schichtfolge= 2-Schicht (Kaolinit). 2. Basisabstand: der Abstand zwischen den Elementarschichten --> wenn variabel können die Tonminerale Wasser einlagern, sind also quellfähig (Kaolinit nicht quellfähig) 3. Stärke der Schichtladung: bei sehr hoher Schichtladung ist der Basisabstand fix und die Zwischenionen sind fixiert Bei fehlender Schichtladung sind  kein Kationenaustausch, nicht quellfähig Kaolinit (schichtladung= 0) 4. Ort der Schichtladung: : Bei isomorphem Ersatz in den Oktaedern ist das Ladungszentrum weiter entfernt, daher sind die Bindungskräfte geringer → Quellfähigkeit & Ionenaustausch besserKaolinit hat keine Schichtladung 
• 10.5 Warum sind Tonminerale mit isomorphem Ersatz in den Oktaederschichten eher quellfähig als solche mit isomorphem Ersatz (Lage der Schichtladung) in den Tetraedern? Wie heißt die Gruppe der besonders quellfähigen Tonminerale? Bei isomorphem Ersatz in den Oktaedern ist das Ladungszentrum weiter entfernt, dadurch sind die Bindungskräfte geringer, was Quellfähigkeit und Ionentausch begünstigt. Die Gruppe besonderst quellfähiger Tonminerale nennt man Smectite.
• °12. Erläutern Sie den Begriff der „permanenten Ladung“ eines Tonminerals. Wie entsteht sie, wie wird sie kompensiert? Hat diese Kompensation eine ökologische Bedeutung? Permanente Ladung: unabhängig vom pH-Wert entsteht in Tonmineralen durch isomorphen Ersatz z.B. Al3+ erstetzt Si4+  -->wird durch Einlagerung von Kationen in die Zwischenräume ausgeglichen --> Kationen können sich annähern und werden festgehalten, wichtigster Speichereffekt für pflanzenverfügbare Stoffe, da sie nicht mehr auswaschbar sind aber auch nicht so fest gebunden, dass die Pflanze sie nicht mehr aufnehmen kann. Variable Ladung: abhängig vom pH-Wert . entsteht zB bei Huminstoffen dadurch, dass randständige OH Gruppen Protonen aufnehmen (niedriger pH) oder abgeben (hoher pH) können. -->wird durch bei hohem pH von einem Proton, bei niedrigem pH von einem Kation (KAK) belegt
• !14. Was kann mit einem Vermiculit (Schichtladung in den Tetraedern) passieren, wenn die umgebende Bodenlösung hohe K-Konzentrationen enthält? → Bei hoher K-Zugabe können Vermiculite zu Illiten kontrahieren
• !15. Mit der Bodenlösung wird auch immer Kieselsäure (Silizium) weggeführt (=Desilifizierung der Bodenlösung). Welche Auswirkungen hat das langfristig auf die Toniminerale, welche Produkte entstehen? (Produkte) In welchem Klima wird das begünstigt? Desilifizierung (Si-Auswaschung) führt zu Kaolinit und Oxidanreicherung (Si weg, Al und Fe bleiben übrig) vor allem in einem humiden Klima/ tropischem Klima
• !16. Nennen Sie die drei wichtigsten Bestandesgrößen im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf der Ökosysteme. Im globalen Maßstab: In welchem Mengenverhältnis stehen diese Pools zueinander? Wichtigste Bestandesgrößen (Pools) des Kohlenstoffs in terrestrischen Ökosystemen sind der C-Gehalt der Atmosphäre, der C-Gehalt der lebenden Biomasse sowie der Kohlenstoff der Böden Atmosphäre: 750 Gt Kohelnstoff (in Form von anorganischem CO2) Biomasse: 550 Gt organische Bodensubstanz: 1600 Gt 
• 17. Erläutern Sie die Begriffe „Bruttoprimärproduktion“ und „Nettoprimärproduktion“. Bruttoprimärproduktion= Gesamtmenge der neu gebildeten Assimilate pro Zeiteinheit  (durch Pflanzen) Die Pflanzen nehmen anorganischen Kohlenstoff aus der Luft auf und bilden mithilfe der Photosynthese Assimilate. Nettoprimärproduktion= Bruttoprimärproduktion minus der Assimilate bzw des Kohlenstoffs, die durch Primärproduzenten veratmet werden (für ihren eigenen Stoffwechsel, Respiration). Also der tatsächlich als Assimilate gespeicherte Kohlenstoff. 
• 18. Frische Streu (Pflanzenabfall) besteht aus verschiedenen chemischen Verbindungen. Welches ist die häufigste? Wie hoch ist etwa der Kohlenstoffgehalt von pflanzlicher Trockensubstanz? Zellulose ist die häufigste (45%) Die Zusammensetzung der Streu ist variabel (je nach Pflanzenart, dem Pflanzenteil und den Wachstumsbedingungen) Die Trockenmasse besteht zu knapp der Hälfte aus Kohlenstoff. (50% der Trockenmasse)
• !!19. Aus welchen 3 chemisch-organischen Verbindungen ist die (trockene) pflanzliche Biomasse überwiegend aufgebaut? Erläutern Sie mit jeweils einem Satz den Chemismus dieser Substanzen. Zellulose:  Polysaccharid (Vielfachzucker) aus bis zu mehreren tausend Glukose-Monomeren,bilden lange faserförmige Strukturen Hemizellulose:Polysaccharid, besteht aus verschiedenen Monomeren mit Seitenketten und Verzweigungungen Lignin: dreidimensionales Polymer in dem Phenylpropanoide über sehr vielgestaltige Bindungsformen verknüpft sind.bei der Verholzung füllt Lignin die Zwischenräume zwischen den Zellulosefasern
• 20. Erläutern Sie den Begriff der Mineralisation, welches sind die Endprodukte, welches ist das dominierende Endprodukt? Mineralisation= organische Substanz (Streu) wird mikrobiell vollständig abgebaut zu seinen anorganischen Grundbausteinen Endprodukte= CO2, H2O, NH4+(ammonium), NO3- (Nitrat) und Ionen: Ca2+, K+, Mg2+ etc. Dominierendes Endprodukt ist CO2 und H2O
• !!21. Was wird durch den Prozess der Humifizierung umrissen? Haben die Endprodukte eindeutige chemische Eigenschaften? Wenn nein, nennen und erklären Sie kurz 3 grundlegende Eigenschaften der Endprodukte → Umwandlung zerkleinerte Streu in pedogene, organische Verbindungen (=Huminstoffe)  Eigenschaften: nein, keine eindeutige chemische Eigenschaften. Aber dunkel gefärbt, amorph, saure Eigenschaften.
• 22. Erläutern Sie 3 Effekte, die die organische Bodensubstanz vor Mineralisierung schützen. Mineralisation gehemmt bei  1. saure Verhältnisse (neutral bis schwach saurer pH für bakteriellen Abbau ideal)2. kühle Temperaturen (geringere Stoffwechselaktivität der Bakterien, begünstigt Humifizierung)3. Sauerstoffmangel 4. Stickstoffmangel→ Huminstoffe reichern sich an, wenn die Mineralisation gehemmt ist  zB in kühl-feuchten Nadelwäldern der borealen Zone (Rohhumus) oder in Mooren (Torfe) 
• °23. Erläutern Sie die Begriffe „partikuläre organische Substanz“, „dissolved organic carbon DOC“, „mineralassoziierter organischer Kohlenstoff“ und Holzkohle. Partikuläre Organische Substanz (POM)=  Stückchen aus Kohlenstoffmaterial (Streu), Gewebestrukturen erkennbar dissolved organic carbon (DOC) = Gelöster organischer Kohlenstoffbesteht aus kurzkettigen, wasserlöslichen Molekülen MAOM = Mineral-assoziierter organischer Kohlenstoff=  bildet sich wenn organische Stoffe mit Mineralen interagieren. Stofflich extrem heterogen, besteht meist aus sehr kleinen Molekülen--> stabilisiert Bodenaggregate Holzkohle=entsteht, wenn lufttrockenes Holz unter Luftabschluss und ohne Sauerstoffzufuhr erhitzt wird 
• 24. Was ist gemeint, wenn Huminstoffe als „supramolekular“ bezeichnet werden? Die genaue Struktur von Huminstoffen ist nicht bekannt. man geht davon aus dass sie keine Makromoleküle sind sonder supramoleküle.  Als Supramolekül bezeichnet man eine Assoziation aus zahlreichen Momomeren. Sie sind deutlich komplexer als normale Moleküle.
• !!25. Erläutern Sie zwei wichtige, sauer wirkende funktionale Gruppen der Huminstoffe. zwei wichtige sauer wirkende funktionale Gruppen der Huminstoffe: →  Carboxylgruppe, phenolische Hydroxylgruppe (= phenolische OH-Gruppe) besitzen eine variable Ladung können also bei hohen pH-Werten ein Proton abspalten, es verbleibt eine negative Ladung können bei niedrigen pH-Werten (sauer) (→ Protonendruck) die Plätze mit Protonen besetzenHuminstoffe haben somit eine hohe KAK bei hohen pH-Werten!
• 26. Welche ökologische Bedeutung habe die prinzipiell sauren, dissoziierbaren Hydroxyl und Carboxylgruppen der Huminstoffe? Denken Sie an den Begriff der „variablen Ladung“. zwei wichtige sauer wirkende funktionale Gruppen der Huminstoffe: →  Carboxylgruppe, phenolische Hydroxylgruppe (= phenolische OH-Gruppe) besitzen eine variable Ladung können also bei hohen pH-Werten ein Proton abspalten, es verbleibt eine negative Ladung können bei niedrigen pH-Werten (sauer) (→ Protonendruck) die Plätze mit Protonen besetzen => Huminstoffe haben somit eine hohe KAK bei hohen pH-Werten! Beeinflussen also die KAK und somit die Bodenfruchtbarkeit. sonst werden nähsrtoffe zB ausgewaschen 
• 27. Organische Bodensubstanz besitzt oft eine „variable Ladung“. Was ist das, welche ökologische Bedeutung hat sie? zwei wichtige sauer wirkende funktionale Gruppen der Huminstoffe: →  Carboxylgruppe, phenolische Hydroxylgruppe (= phenolische OH-Gruppe) besitzen eine variable Ladungkönnen also bei hohen pH-Werten ein Proton abspalten, es verbleibt eine negative Ladung können bei niedrigen pH-Werten (sauer) (→ Protonendruck) die Plätze mit Protonen besetzen => Huminstoffe haben somit eine hohe KAK bei hohen pH-Werten! Beeinflussen also die KAK und somit die Bodenfruchtbarkeit.
• !!28. Was versteht man unter „Fulvosäuren“? =eine Gruppe organischer Säuren mit uneinheitlicher Zusammensetzung.  - enstehen bei der Humifizierung- haben im Gegensatz zu den Huminsäuren ein deutlich geringeres Molekulargewicht und stärker - sauren Charakter
• !29. Nennen und erläutern Sie 3 Beiträge der organischen Bodensubstanz zur Fruchtbarkeit der Böden. Humusreiche Böden sind reich an Huminstoffen, diese haben eine gute Wasserspeicherung, hohe KAK, wirken strukturstabilisierend, sind ein Stickstoff- und Phosphorspeicher, tragen aufgrund der dunklen Farbe zur Bodenerwärmung bei und wirken somit bis zu einem gewissen Maß begünstigend für das Pflanzenwachstum.  organische Bodensubstanz ist gut für die Bodenfruchbarkeit weil:  1. erhöht Kationenaustauschkapazität (KAK): besitzen  funktionale Gruppen mit variabler Ladung, können also bei hohen pH-Werten ein Proton abspalten, es verbleibt eine negative Ladung, da können sich Kationen anlagern  !!2. bindet anionische Nährstoffe wie Phosphor und Nitrat → Pflanzenverfügbar 3. stabilisiert Bodenstruktur (verhindert Erosion) Je größer der Masseanteil organischer Materie, desto stabiler ist das Aggregat (durch Interaktionene mit Mineralen, verhindern vollständigen Abbau org. Substanz) sonst werden die Poren verstopft, es kommt zu Oberflächenabfluss mit Erosion und die Bodenbelüftung ist nicht mehr gewährleistet. 
• 30. Warum sollten Humifizierung und Mineralisierung in einem ausgewogenen Verhältnis stehen Gesunde Böden brauchen sowohl Mineralien für den Nährtoffkreislauf, als auch Wasser und Huminstoffe als Basis zum Leben.

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