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Bodenkunde (Fach) / Oberflächenprozesse Boden (Lektion)

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• 1.Welche Prozesse während der Bodenbildung sind dafür verantwortlich, dass die spezifische Oberfläche des Bodens zunimmt? Nennen und erläutern Sie diesen Zusammenhang an zwei Beispiel-Prozessen. Spezifische Oberfläche =  Fläche normiert auf die Masse des Bodens Ein Granitbrocken wird z.B. - durch Frostsprengung zerkleinert- durch chemische Verwitterung entstehen Tonminerale die dabei entstandenen Partikel haben insg. die gleiche Masse, aber eine größere spezifische Oberfläche (in m²/g).
• Frage: Man sieht in den Tropen Trockenrisse im Boden, handelt es sich um Kaolinit oder Smectit? Trockenrisse können nur bei Schrumpfung von Ton entstehen. Bei geringem Wassergehalt nimmt das Volumen ab, also kann dies nur bei Tonmineralen der Fall sein, die Wasser einlagern können wie der Smectit (3-Schicht Tonmineral). In den Zwischenschichten kann Wasser eingelagert werden, deshalb ist der Smectit sehr gut quellfähig. - Kaolinit: kann nicht quellen und schrumpfen  Volumen ist von Wassergehalt unabhängig. Er ist das am Stärksten verwitterte Tonmineral  Es handelt sich also um Smectit-3-Schicht-Tonminerale!
• 2.Warum ist toniger Boden in der Regel reaktiver als sandiger Boden? Nennen Sie zwei Beispielreaktionen, die in tonigen Böden intensiver ablaufen als in sandigen. 1. Verwitterung:  Toniger Boden besteht aus kleinen Partikeln mit hoher spez. Oberfläche und je größer die Oberfläche, desto reaktiver der Boden. Verwitterung (zB Mg-Freisetzung)  2. Tonige Böden haben eine größere spezifische Oberfläche und liefern dardurch mehr Lebensraum für Mikroorganismen
• 3. „Ein Großteil der Oberfläche von sandigen Oberböden hängt an der organischen Substanz“. Erläutern Sie diese Aussage. Warum ist daher die organische Substanz von besonderer Bedeutung für die Nährstoffversorgung auf Standorten mit der Bodenart Sand? Die Gesamtoberfläche eines Bodens hängt nicht nur von den anorg. Zusammensetzungen ab (tonig oder sandig…) sondern auch von der organischen Substanz. Da bei sandigen Böden die reaktive spezifische Oberfläche sehr klein ist ergibt sich die Oberfläche hauptsächlich durch die org. Substanz. → Organische Substanz lagert sich oft wie Zwiebelschalen um mineralische Substanz und hat sehr hohe spezifische Oberfläche, mit vielen kleinen Poren, dementsprechend sehr hohe Reaktivität.  Da durch das Sand selbst nur in sehr geringem Maße Nährstoffe speichern kann ist er stark von der kontinuierlichen Nährstoffversorgung über die organische Substanz abhängig.
• !4. Warum ist es schwierig, die reaktive Oberfläche von Böden zu bestimmen? Oberflächenmessung durch Eintrag von Gas Schwierig, da die zur Bestimmung eingesetzten Gase unterschiedliche Ergebnisse liefern. Gase werden mit Böden gemischt und das System abgeküht.  Am Kondensationspunkt lagert sich das Gas an der Oberfläche an→ Dann kann man die adsorbierte Menge bestimmen. Je nach Gas werden aber unterschiedlich viele Oberflächen erreicht  --> das Gas kommt nicht an alle Oberflächen, da viele sehr kleine Poren
• 5. Häufig wird für die Bodenfestphase das Modell einer Zwiebel (mit Schale) verwendet. Nennen Sie ein Beispiel für Zwiebel und Schale. Welche ökologischen Konsequenzen hat die „Einschalung“ Schluffpartikelchen wird von organischer Substanz umlagert (oder Anlagerung von Eisenoxide um Quarzkörner.)  Die spezifische Oberfläche wird nur wenig vergrößert, aber die Reaktivität der Böden wird stark erhöht, da organische Substanz viele Poren hat.  deutlich höhere Wasserspeicherkapazität und Kationenaustauschkapazität, Aggragatstabilität 
• !!6. Sand besteht zum Großteil aus Quarz, dessen Farbe ist weißgelb. Wie kommt es, dass Sandkörner in Böden dennoch häufig okerbraun oder auch schwarz-grau sind? Was könnte die Ursache für gebleichte Quarzkörner im Boden sein?  → Es findet eine Verbraunung der Oberfläche statt, dabei lagern sich Eisenoxidnadeln oder org Substanz an die Oberfläche der Sandkörner. =Verbraunung Gebleichte Quarzkörner haben keine angelagerten Eisenoxide/org Substanz. Tieferliegende Quarzkörner ohne Kontakt zu organischer Substanz und Verwitterung können bleich bleiben / starke Säuren (Huminsäuren) können die Schale auch zerstören.
• !!8. Der grundwasserbeeinflusste Unterboden eines Standortes ist deutlich bläulich gefärbt. Was könnte die Ursache sein? Angenommen der blaue Belag enthält Eisen: Befinden Sie sich dann auf einem landwirtschaftlich oder einem forstlich genutzten Standort? Warum? Die Ursache könnte blaues Eisen(II)-Phosphat sein.  Auf landwirtschaftlich genutzten Flächen wird Phosphordünger ausgebracht (gelangt ins Grundwasser) und reagiert mit aus Mineralen vorhandenem Eisen zu Eisen(II)-Phosphat. bildet sich nur wenn viel Phosphor vorhanden ist, was auf eine landwirtschaftliche Nutzung schließen lässt.
• !!9. Welche Bodeneigenschaften bzw. Umweltbedingungen entscheiden darüber ob in einem Boden Goethit oder Hämatit gebildet wird? sind beides Mineralien, eisenoxide, enstehten bei Desilifizierung (= Mineralphase der Böden besteht immer mehr aus Al- und Fe-Oxiden)  Hämathit: tropisches Klima, hohe Bodentemeratur, niedrige Bodenfeuchte Goethit: : gemäßigtes Klima, wenig Verwitterung (wenig Eisen), viel Streu (Neigung zur Komplexausbildung)
• 10. Was versteht man unter der elektrischen Doppelschicht? → Die Oberflächen der Böden sind meist positiv oder negativ geladen. Diese Ladungen werden durch Anlagerung von Ionen ausgeglichen.  Oberfläche + ladungs - ausgleichende Ionen = elektrische Doppelschicht  → Netto -Ladung der Oberflächen der Böden in gemäßigtem Klima meist negativ
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• 11. Welche Bodenbestandteile tragen im Wesentlichen zur negativen Ladung der Bodenfestphase bei? 1. negative Ladung entsteht durch isomorphen Ersatz in den Elementarschichten der Tonminerale 2. Funktionelle Gruppen an der Organischen Substanz (Oxide, Hydroxide, Huminsäuren): bei hohem pH Wert dissoziiert ein Proton und es entseht eine negative Ladung (der Platz st dann verfügbar für Kationen --> KAK steigt)
• 12. Bei Kalk-Applikation wird teilweise Mobilisierung von Cadmium beobachtet. Erklären Sie dieses Phänomen mithilfe Ihres Wissens zur Kationenaustauschkapazität von Böden. Cd (Cadmium) und Ca sind BEIDE ZWEIFACH POSITIV geladen (= Wertigkeitseffekt nicht vorhanden). Durch die HÖHERE KONZENTRATION VERDRÄNGT Calcium das Cadmium (Mengeneffekt). Cadmium, zuvor in Humus/ Tonmineralen gebunden, wird gelöst und kann ausgewaschen werden. Calcium bindet an Tonminerale.
• !13. Ist es möglich, allein auf der Basis der potentiellen Kationenaustauschkapazität eines Bodens Aussagen über die Versorgung der Vegetation mit basischen Kationen zu machen? → Nein, potentielle KAK = Gesamtmenge an Kationen, die ein Boden in austauschbarer Form bei pH 7-8 adsorbieren kann  Wichtiger wäre die effektive KAK, sie gibt an, wie viele Kationen adsorbiert werden können bei aktuellem pH-Wert.  Bei sauren Böden: ist die effektive KAK ist gering:  Weil H+ in sauren Böden die negativen Bindungsplätze „blockiert“
• 14. Warum wird Al3+ ein „saures“ Kation genannt? saure Kationen: H+, Al3+  Al3+ wird als saures Kation bezeichnet, da in wässrigen Lösungen durch Hydrolysereaktionen (Spaltung einer chemischen Verbindung durch Reaktion mit Wasser) ein Al-Hydroxid entsteht und H+ freisetzt wird. Es können also Protonen abgegeben werden und Aluminiumhydroxid wirkt als Säure. Al3+ + 3H2O <--> Al(OH)3 + H+ Gibt es viel Al im Boden →  Protonenkonzentration steigt → Boden wird saurer
• !15. Warum weisen „alte“, das heißt stark verwitterte Böden häufig geringere KAK auf als schwach verwitterte Böden? Je weiter fortgeschritten die Verwitterung ist, desto weniger Si ist vorhanden. ( d.h. Aus den 3-Schicht Tonmineralen werden -->  1-Schicht Tonminerale --> Eisen und ALuminiumoxide)  Die Auswaschung von Siliziumtetraedern bewirkt, dass es immer weniger negative Ladungen an den Bodenoberflächen gibt die als Kationenaustauschplatz dienen können. Ladungsumkehr von Bodenoberfläche --> es lagern sich vor allem Anionen an (AAK steigt)
• 16. Sandige, humusarme Böden mit niedrigem pH Werten sind gekennzeichnet durch sehr geringe Konzentrationen an pflanzenverfügbarem Mg. Warum? sandig: geringe spezifische Oberfläche --> weniger Sorptionsplätze, viele Makroporen, --> Mg kann leicht ausgewaschen werden humusarm: spezifischen Oberfläche bleibt klein, da kein Humus, weniger Huminstoff mit variablen Ladungen sorgen für geringe KAK sauer:  unter sauren Bedingungen die KAK noch geringer, da mehr Protonen vorhanden sind die an Bodenoberflächen binden und dar durch den Kationen Bindungsmöglichkeiten streitig machen.
• 17. Vergleichen Sie einen Standort mit 1 % Ton und einen Standort mit 15 % Ton, beide pH-Wert 4 hinsichtlich der Filterfunktion für eingetragenes Arsenat und begründen Sie die Risikoabschätzung. mehr Ton (15%) es handelt sich hier um ein Schwermetall ANION: Schwermetalle werden spezifisch gebunden. = starke Bindung an die Bodenfestphase.  -->pH Wert sauer --> Die spezifische Sorption von Anionen nimmt zu mit abnehmendem pH-Wert  → geringe Wasserdurchlässigkeit (Je größer die Poren sind, desto schneller kann sich das Wasser bewegen)  --> höhere spezifische Oberfläche = höhere Reaktivität, Je mehr Oberfläche desto besser für Schwermetallbindung.
• !18. In Böden des gemäßigten Klimas wird Nitrat häufig als „konservativer Tracer“ für den Wasserfluss verwendet. Das bedeutet man geht davon aus, dass Nitrat parallel mit dem Wasser verlagert wird ohne irgendwelche Wechselwirkungen mit der Bodenfestphase einzugehen. Für stark verwitterte Böden in den Tropen mit niedrigem pH und Hämatit + Kaolinit als dominierende Minerale gilt diese Annahme nicht, warum? → Nitrat ist negativ geladen, da Böden der gemäßigten Breiten insg. negativ geladen sind, gibt es nur wenig/keine Wechselwirkungen mit der Bodenfestphase. Stark verwitterte Böden, wie die in den Tropen oder Hämatit und Kaolinit sind insg. eher positiv geladen, somit gibt es Wechselwirkungen von Nitrat mit der Bodenfestphase und es wird nicht parallel mit dem Wasser verlagert

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