Bodenkunde (Fach) / 03 (Lektion)

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• 11. Stellen Sie in kurzer Form den Übergang von organischen bzw. mineralischen Ausgangsmaterialien zu den pedogenen sekundären Stoffen unter Verwendung der Fachbegriffe dar (ohne Erklärung der Prozesse). Organisches Primärmaterial wird von Bodenorganismen mineralisiert, heißt in seine anorganischen Grundbausteine abgebaut, wobei ein Teil durch Auswaschung oder Ausgasung verloren geht, ein weitere Teil geht in die unterschiedlichen Nährstoffkreisläufe im Boden ein. Darüber hinaus kann organisches Material humifiziert werden, wodurch Huminstoffe entstehen, die für die dunkle Färbung in Oberböden verantwortlich sind und enorm zur Bodenfruchtbarkeit beitragen. Anorganisches Primärmaterial wird durch chemische und physikalische Verwitterung zerkleinert, wobei es ebenfalls zu Verlusten durch Auswaschung kommen kann. Ein Teil wird widerrum in Nährstoffkreisläufe eingebracht. Aus einem weiteren entstehen pedogene Tonminerale (Bodenfruchtbarkeit), Al- und Fe-Oxide, was als Mineralneubildung bezeichnet wird.
• 03. Unterschied zwischen physikalischer und chemischer Verwitterung? Erläutern Sie mit wenigen Worten 3 Grundreaktionen der chemischen Verwitterung von Mineralen. Welche Reaktion ist in unserem Klima die wichtigste Form der chemischen Verwitterung? Der Unterschied liegt darin das bei ersterer das Gestein nur zerkleinert wird, das Gestein aber seine chemische Struktur behält. Bei der chemischen Verwitterung kommt es zur einer Änderung in Struktur und Aufbau der Stoffe durch chemische Reaktionen. Unter physikalischer Verwitterung versteht man die Zerkleinerung von Ausgangsgestein durch Wurzeldruck, Frost-, Temperatursprengung, gegenseitiger mechanischer Belastung der Gesteine, durch Druckentlastung. Hydratation: Lösung in Wasser, keine chem. Reaktion, Zerlegung der Kristalle in ihre Ionen Hydrolyse: Einbau des Wassermoleküls, Auflösung der O-Si-O Bindung :Protolyse: effizienteste und quantitativ bedeutsamste, Säurewirkung, Einbau des H+ -Ions, H+ -Verbrauch - Pufferung Oxidation: Abgabe von Elektronen, Umwandlung von Fe(II) in Fe(III)
• 14. Warum sind die auf thermodynamischen Gleichgewichten beruhenden Stabilitätsdiagramme für die Mineralgehalte der Böden nur von begrenzter Aussagekraft? Da von Gleichgewichtszuständen ausgegangen wird, die sehr lange brauchten um sich einzustellen, wozu es meist nicht kommt, da die Umgebungsbedingungen für einen solchen Zeitraum nicht konstant genug sind.
• 09. Nennen Sie ein Beispiel, wie durch chemische Verwitterung eine physikalische Lockerung/Zerlegung des Gesteinsverbandes eintreten kann. Durch Rekombination entstehen Tonminerale, was mit einer Volumenzunahme einhergeht, das den umgebenen, unverwitterten Kornverand lockert.
• 06. Erläutern Sie, wieso das Tonmineral Illit als Produkt eines Grenzfalls zwischen physikalischer und chemischer Verwitterung angenommen werden kann. Wenn Biotit (Glimmer) durch physikalische Verwitterung stark zerkleinert wurde, kann es dazu kommen, das an den Rändern Kationen beweglich werden und es durch Hydrolyse zu einer Aufweitung der Schichten kommt. Biotit mit dieser Größer (kleiner 2 Mykrometer) nennt man Illit.
• 23. Welche Ionen sind am isomorphen Ersatz a) in den Tetraedern b) in den Oktaedern beteiligt (wer ersetzt wen, Folgen für die Gitterladung). a) Si durch Al, die andere Ladung des Aluminiums führt zu Teilladungen der Siliziumblätter, also negativer Schichtladung, die durch Einlagerung von Zwischenschicht-Kationen ausgeglichen werden b) Si durch Al durch Mg, Fe(II), werden diese wiederum durch Fe(III) kann die negative Schichtladung zunehmen
• 12. Tonminerale kann man von den Glimmern ableiten. Nennen und erläutern Sie 3 Unterschiede zwischen den bodenbürtigen Tonmineralen und den Glimmern (und anderen gesteinsbürtigen Phyllosilikaten) 1. Ionen können ausgetauscht werden, wodurch sie als Nährstoffspeicher fungieren können 2. große, aktive Oberflächen stabilisieren das Bodengerüst, bilden Lebensraum für Mikroorganismen, dienen als Träger von Oberflächenreaktionen 3. Ungleichmäßigkeit der OF und geringe Größe der Kristalle bietet nötige Vielfalt für Bodenfunktionen und Lebensraum 4. Quellfähigkeit erlaubt die Aubildung eines Bodengefüges das gleichzeitige Nährstoff-, Wasserversorgung, Belüftung erlaubt ...siehe 04/ Folie 9
• 21. Was versteht man unter der Elementarschicht eines Tonminerals? Wie groß kann man sich den Kristall eines Tonminerals vorstellen, in welcher Größenordnung liegen die Anzahlen der Elementarschichten? Der Kristall eines Tonminerals wird 0,1 bis 0,15 μm/<2µm groß, die Anzahl seiner Elementarschichten bei einigen 10er bis 100er -Schichten. Eine Elementarschicht besteht aus Tetraeder-Oktaeder-Tetraederschicht.
• 07. Nach welchen Kritierien werden Tonminerale eingeteilt? Erläutern Sie drei der Kriterien mit einem Beispiel. Da Tonminerale nicht eindeutig definiert sind unterscheidet man sie nach den für die Bodenfunktion relevanten Eigenschaften: Basisabstand: Distanz zwischen den Elementarschichten, bei einem variablem Basisabstand kann Wasser eingelagert werden, Smectide variabel - quellfähig, Illonit fix Schichtfolge: 2-Schicht(Kaolinit), 3-Schicht(Montmorillonit), 4-Schicht(Chlorit) Stärke der Schichtladung: Starke führt zu Fixierung von Basisabstand, Zwischenschichtionen, Schwache zu keinem Ktausch, nicht quellfähig, günstig ist eine mittlere Schichtladung Ort der Schichtladung: ist das Ladungszentrum wie beim isomorphen Ersatz etwas weiter Entfernt, sind die Bindungskräfte etwas schwächer was Ionentausch und Quellfähigkeit begünstigt
• 15. 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, dar durch sind die Bindungskräfte geringer, was Quellfähigkeit und Ionentausch begünstigt. Die Gruppe besonderst quellfähiger Tonminerale nennt man Smectite.
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• 19. Was kann mit einem Vermiculit (Schichtladung in den Tetraedern) bei starkem K-Überschuss passieren? Herrscht ein K-Kationen Überschuss, werden diese in den Schichtzwischenräumen fixiert. Es entsteht ein Illit.
• 20. Was passiert mit den Tonmineralen bei andauernder Desilifizierung (Herauslösung von Kieselsäure)? (Produkte) In welchem Klima wird das begünstigt? Es führt zur Bildung von Kaolinit und zur Anreicherung von Oxiden. In tropischem Klima wird dieser Vorgang durch höhe Temperaturen begünstigt.
• 08. Nennen Sie die drei wichtigsten Bestandesgrößen im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf der Ökosysteme. Im globalen Maßstab: In welchem Mengenverhältnis stehen diese Pools zueinander? C-Gehalt der Atmosphäre, der Böden, der lebenden Biomasse   750 Gt :1600 Gt :500 Gt 1,5:3,2:1
• 04. Erläutern Sie die Begriffe „Bruttoprimärproduktion“ und „Nettoprimärproduktion“ BPP: die Gesamtmenge der von Pflanzen neu gebildete Assimilate NPP: BPP abzüglich der Menge an Assimilaten die die Pflanze für die Aufrechterhaltung ihres eigenen Soffwechsels respiriert hat
• 25. Welches ist der mengenmäßig wichtigste Anteil frischer Streu? Wie hoch ist etwa der Kohlenstoffgehalt von pflanzlicher Trockensubstanz? - Wasser zu etwa 75 % - Kohlenstoffgehalt von pflanzlicher Trockenmasse beträgt etwa 50 %
• 01. Aus welchen 3 organischen Substanzen besteht die pflanzliche Biomasse überwiegend? Erläutern Sie mit einem Satz den Chemismus dieser Substanzen. Cellulose:einheitliche Grundbausteine (Glucose) und Bindungsform (Glycosid) sind Polyssacharide, die aus mehreren tausend Glucose-Monomeren bestehen, die unverzweigt zu faserförmigen Strukturen polymerisiert sind und bis zu 50%iger Bestandteil von Zellwänden sind. Hemicellulose: besteht aus heterogenen Gruppen aus Hexosen und Pentosen Polyssacharid, ist eine Struktur und Gerüstsubstanz, sie besteht aus verschiedenen Monomeren mit Seitenketten und Verzweigungungen, die auch ein wichtiger Bestandteil von Zellwänden sind. Lignin: verschiedene Grundbausteine (Phenylpropanoide) und Bindundungen ein dreidimensionales Polymer, Phenylpropanoide sind über sehr verschiedene Bindungsformen miteinander verbunden, füllt bei der Verholzung die Zwischenräume der Fasern, aromatisches Molekül, kann nur schwer abgebaut werden
• 02. Erläutern Sie den Begriff der Mineralisation, welches sind die Endprodukte, welches ist das dominierende Endprodukt? ist der vollständige mikrobielle Abbau von organischer Substanz in seine anorganischen Grundbausteine. Endprodukte: Kohlendioxid, Wasser, Ammonium NH4+, Nitrat NO3-, Ionen der Elemente S, K, Ca, Mg, P, Fe
• 18. Was ist Humifizierung? Nennen und erklären Sie kurz 3 grundlegende Eigenschaften der Endprodukte. ist die Umwandlung von organischem Material in organische, pedogene Verbindungen, den Huminstoff. Aromatische Kernstrukturen (da die Benzolringe des Lignins nicht geöffnet werden können) Sie sind amorph (da Anzahl von Grundbausteinen und Bindungstypen, sowie Molekülgröße und überhaupt alles variabel ist. Keine Ordnung vorhanden) Hoch bis niedermolekular (s.o. Molekülgröße ist variabel) dunkel gefärbt (sorgt für die dunkele Färbung von organischen Oberböden) entstehen unter Bodenbedingungen reagieren meist sauer durch die vorhandenen sauren funktionellen Gruppen: Carboxylgruppen und phenolische Hydroxylgruppen
• 17. Was ist gemeint, wenn Huminstoffe als „supramolekular“ bezeichnet werden? Damit ist gemeint, dass Huminstoof nicht als Makromoleküle verstanden werden, sondern als Assoziationen zahlreicher Monomere.
• 05. Erläutern Sie zwei wichtige, sauer wirkende funktionale Gruppen der Huminstoffe Huminstoffe wirken sauer aufgrund ihrer sauren Funktionalen Gruppen, der Carboxyl- und phenolischen Hydroxylgruppe. Beide besitzen eine variable Ladung. Bei hohem pH-Wert ist die H+ Konzentration in der Umgebung gering, Protonen werden von den Stellen der vaiablen Ladung dissoziert, die dafür Kationen binden können. Die Kationenaustauschkapazität der Huminstoff bei hohem pH Wert ist sehr hoch. Bei niedrigem pH-Wert werden die meisten freien Stellen der variablen Ladungen mit Protonen besetzt, wodurch eine geringe KAK entsteht.
• 24. Welche ökologische Bedeutung habe die prinzipiell sauren, dissoziierbaren Hydroxyl und Carboxylgruppen der Huminstoffe? Denken Sie an den Begriff der „variablen Ladung“. Die Ladung in den Huminstoffen hängt durch die Ladung an sauren Gruppen anders als die permanente Ladung der Tonminerale von dem pH-Wert der Umgebung ab. Bei niedrigen pH-Werten und Protonenüberschuss sind alle sauren Gruppen mit Protonen belegt →Kaum KAK. Bei hohen pH-Werten deprotonieren die sauren Gruppen und anstatt der Protonen können sich nun Kationen anlagern→sehr hohe KAK. Saure Böden sind daher problematisch was die Verfügberkeit von Nährstoffen angeht.
• 22. Was versteht man unter Fulvosäuren? Fulvosäuren sind eine Gruppe organischer Säuren mit uneinheitlicher Zusammensetzung. Sie entstehen bei der Humifizierung, haben jedoch im Vergleich zu den Huminsäuren eine deutlich geringere Masse und stärker sauren Charakter, sind labil und wasserlöslich.
• 10. Nennen und erläutern Sie, warum humusreiche Böden als fruchtbar gelten? Gibt es aus Sicht der Bodenfruchtbarkeit ungünstige Anreicherung von Humus? Der Hauptbestandteil von Humus ist Huminstoff, der zur Aggregatstabilität und Bodenbelüftung beiträgt, gute Quelleigenschaften besitzt, was ihn als Wasserspeicher befähigt. Darüber hinaus dient er als Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorspeicher. Durch seine variablen Ladungen kann er außerdem zur KAK beitragen. Seine dunkle Färbung verringert die Reflexion der Sonnenstrahlen, was zur Absorption von Wärme durch Lichtenergie führt und wiederum den bakteriellen Stoffwechsel anregt und sich somit positiv auf die Mineralisierung auswirkt. Es werden zwei Arten von Humusanreicherung unterschieden: Mineralbodenhumus (durchmischt, Bildung mineral-organische Komplexe, stabiler), der sich positiv auf die Bodenfruchtbarkeit auswirkt und Auflagehumus (rein organisch, labil gg. veränderten Umweltbedingungen, sauer) Letzterer lässt auf ein Ungleichgewicht zwischen Mineralisierung(+ warm, feucht, mittlerer pH-Wert, gute N/O2 Versorgung)und Humifizierung (+ kalt, nass, trocken, saurer pH-Wert, N/O2-Mangel, pilzlicher Abbau, scharfe Wechsel der Bodenfeuchte, schwer abbaubare Streu, geringe Verwitterung der Gesteine) schließen, da der Anfall von Streu, das übersteigt, was umgesetzt wird, was zu einer Hemmung der mineralisierenden Prozessen führt, wodurch weniger Nährstoffe aus abgestorbener Substanz verfügbar gemacht werden. Außerdem kann bei starken Rohhumusauflagen ein Wasserstau stattfinden, der sich ebenfalls auf die Bodenfruchtbarkeit negativ auswirkt.
• 16. 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, weshalb beide Prozesse wichtig sind. Da letztere deutlich reaktiver sind und die geforderten Stoffe schneller liefern ist Humus: Mineralien 10%:90% ein gutes Mischverhältnis.
• 13. Unter welchen Bedingungen sind Huminstoffe besonders gut vor Abbau geschützt? Vor Abbau geschützt, wenn: Strukturchemische Eigenschaftfen: Einige Stoffe, wie z.B. Teile des Lignins durch ihre Stabilität sich nicht zersetzen lassen Huminstoffe durch Wechselwirkungen mit der Mineralphase stabilisiert werden (Ca2+) physikalische Trennung: Sie räumlich (z.B. durch Einschluss) von den Zersetzern getrennt sind Bedingnungen unter denen die Humifizierung überwiegt: kalt, trocken, nass, N-,O2-Mangel, pilzlicher Abbau, sauer, scharfe Wechsel in der Bodenfeuchte

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