Bodenkunde (Fach) / 07 (Lektion)

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• 01. Definieren Sie kurz 5 Flusskomponenten des ökosystemaren Wasserhaushaltes. ● Perkolation bzw. Einsickerung des Wassers in den Boden. DiesesWasser kann die Bodenspeicher auffullen, durch den Boden durchsickern oder direkt von Wurzeln aufgenommen werden● Oberflachenabfluss: Der Anteil des Bestandesniederschlags, der nicht in den Boden einsickert● Hangwasser oder Zwischenabfluss: Der Anteil des Sickerwassers, derseitlich durch den Boden abfliest.● Tiefenversickerung: Der Anteil des Sickerwassers, der nicht gespeichert wird bzw. von Pflanzen aufgenommen wird oder als Hangwasser abfliest . Dies enspricht auch der Grundwasserspende● Wasseraufnahme durch die Pflanzen● Transpiration: Von den Pflanzen verbrauchtes Wasser, entsprichtweitgehend der Wasseraufnahme● Evaporation: Wasserdampfverlust des Bodens
• 02. Erklären Sie den molekularen Aufbau des Wassers. Was sind Wasserstoffbrücken und welche Bedeutung haben diese für die Eigenschaften des Wassers bei Raumtemperatur? H2’O besteht aus 2 Wasserstoff Atomen und einem Sauerstoff Atom und hat eine Masse von 18g/mol), trotz geringerer Molekülmasse als reiner Sauerstoff bzw. CO2 ist Wasser meist flüssig vorhanden (Temperatur abhängig). Das Molekül ist polar geladen( 2x positiv, 1x negativ)und geknickt. Wasserstoffbrücken: Anziehung zwischen der positiven H-Ecke und der negativen O-Ecke. Die Bildung erfolgt spontan und schränkt die Beweglichkeit ein, was der Grund ist, dass Wasser bei Raumtemperatur flüssig vorliegt.
• 03. Beschreiben und erklären Sie die Oberflächenspannung des Wassers und 3 damit verbundene natürliche Phänomene. -Tropfenbildung, Wasserlauf auf einer Oberfläche, Kapillarität, übervolle Gläser Wassermoleküle halten untereinander über Ausbildung von Wasserstoffbrücken zusammen, was auch als Kohäsion bezeichnet wird. Die Kräfte sind in alle Richtungen gleich. An der Grenzfläche zur Luft wirken die Kräfte jedoch nur nach unten und zu den Seiten, wodurch die Grenzfläche zur Luft verringert wird und es zu einer Energiefreisetzung kommt, was als Oberflächenspannung bezeichent wird.  
• 04. Erklären Sie die Begriffe Adhäsion und Kohäsion in Zusammenhang mit dem Wassermolekül. Kohäsion meint den Zusammenhalt der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenausbildung Adhäsion meint den Zusammenhalt zweier unterschiedlicher Stoffe. Da Wasser polar ist kann es an entsprechend geladenen Bodenoberflächen wie beispielsweise Tonmineralen binden. Die erste Adhäsionslage bindet sehr fest an die Oberfläche, Glas oder Silikate haben eine fest gebundene Wasseradhäsionsschicht, wobei die Bindungskräfte so stark sind das auch gasförmige Wassermoleküle gebunden werden können. Die Bindungskräfte nehmen jedoch nach wenigen Moleküllagen stark ab.
• 05. Wie verhält sich Wasser an geladenen bzw. polaren Oberflächen? Welche Substanzen im Boden besitzen solche Eigenschaften (3 Beispiele)? Wassermoleküle binden an polaren Oberflächen wie Tonmineralen(neg. Ladung), Fe-(Hydro)oxiden(VL), Glas/Silikaten(Silanolgruppe), Huminstoffen(VL). Dabei bindet die erste Adhäsionsschicht sehr stark an die Oberfläche. Die Bindungskräfte nehmen jedoch schon nach wenigen Molekülschichten stark ab.
• 06. Beschreiben Sie das Konzept des Benetzungswinkels an einer ebenen Fläche. Das Konzept des Benetzungswinkels beschreibt Reaktion von Wassermolekülen auf einer Oberfläche in Abhängigkeit von der Stärke der Adhäsions- und Kohäsionskräfte. Sind die Adhäsionskräfte der Oberfläche größer als die  Kohäsionskräfte des Wassers ist der Bentzungswinkel (Böschungswinkel des Wasserfilms) <90°, die Fläche ist voll bentzbar. bei Kohäsion=Adhäsion: Benetzungswinkel=90° bei Kohäsion>Adhäsion, Benetzungswinkel>90°, Tropfenbildung, nicht benetzbar
• 07. Beschreiben Sie den kapillaren Aufstieg von Wasser. In einer vertikalen Glasröhre die in Wassergetaucht wird, kann die innere Oberfläche der Röhre vollständig mit einem Wasserfilm bedeckt sein, wenn die Adhäsionskräfte stärker sind als die Kohäsionskräfte und der Benetzungswinkel kleiner 90° beträgt. Die Oberflächenspannung bewirkt, das es energetisch günstiger ist, die Oberfläche zur Luft klein zu halten, was den Aufstieg des Wassers bewirkt.
• 08. Was passiert wenn Sie eine Röhre aus „hydrophobem“ Material in Wasser tauchen? Diskutieren Sie kurz den Begriff „hydrophob“ und ersetzen ihn durch einen physikalisch präziseren Begriff. Das Rohr bleibt leer und es bildet sich eine Wasserkuppe aus. Die Oberfläche an sich ist nicht wasserabweisend, sondern unpolar. Die Kohäsionskräfte der Wassermoleküle untereinander sind größer als die Adhäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen und der Oberfläche, wodurch es zur Oberflächenspannung und damit zur Tropfenbildung kommt.
• 09. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Porendurchmesser und kapillarer Aufstiegshöhe. Nennen Sie drei Größenordnungen. Je kleiner der Porendurchmesser ist desto größer die kapillare Aufstiegshöhe, da der kapillare Aufstieg so weit geht bis die Energie der Gewichtskräft der Wassersäule gleich der für den kapillaren Aufstieg zur Verfügung stehenden Energie ist.   Grobporen: 1500µm bis 100µm Mittelporen: 10 µm bis 1,5 µm Feinporen: 0,2 µm
• 10. Was ist der pF Wert im Kapillarmodell des Bodens? Der pF-Wert ist der dekadische Logarithmus des negativen Wasserpotenzials
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• 11. Was versteht man unter dem Porenäquivalentdurchmesser bei der Boden- pFKurve? Die messwerte der Entwässerungscharakteristik stammen aus Messungen mit geraden Glaskapillaren. Möchte man das Modell für den Boden anwenden, müssen dem Entwässerungsdruck Porengrößen zugeordnet werden, die dem entsprechen.
• 12. Welche zwei Darstellungen für die pF Kurve sind üblich. Warum wird in den Darstellungen die unabhängige (x) und abhängige (y) Variable vertauscht? 1. y=Wassergehalt in % x=Wasserspannung in hPa Dies ist eine Summenkurve, mit steigendem Entwässerungsdruck sink der Wassergehalt (pF- Wert sinkt) 2. y=Wasserspannung in hPa / x= Wassergehalt in cm³/cm³ Diese Art der Darstellung hat einen Vorteil bei Bewässerungsfragen     (Wieviel Wasser muss ich auffüllen damit der Bodenspeicher aufgefüllt ist)    
• 13. Zeichnen Sie eine pF-Kurve für (Sand/Schluff/Ton). zeichnen
• 14. Definieren Sie die Begriffe Feldkapazität, Nutzbare Feldkapazität, Welkefeuchte, Luftkapazität. Feldkapazität: Feuchtegehalt, der sich in einem wassergesättigten Boden ohne Wasserentnahme durch Pflanzen, nach 3 Tagen einstellt Nutzbare FK: Wasser das die pflanzenverfügbar ist Luftkapazität: Volumen der Grobporen Welkefeuchte: bei pF-Wert 4,2 - Wassergehalt im Boden ab dem die Pflanze nicht lebensfähig ist
• 15. Beschreiben Sie die Wasserretentionseigenschaften bzw. die Porengrößenverteilung der Hauptbodenarten (Sand/Schluff/Ton) unter Verwendung der Begriffe Feldkapazität, Nutzbare Feldkapazität, Welkefeuchte, Luftkapazität. Sand weist eine Große Zahl an Makroporen auf wodurch er eine hohe Luftkapazität hat, jedoch hat Sand wenige Mikroporen wodurch er wenig Wasser speichern. FK und NFK sind gering. Welkefeuchte wird schnell erreicht. Ton: LK gering, NFK gering, FK hoch, Welkefeuchte auch bei hoher Wassersättigung des Bodens Schluff: LK mittel, NFK hoch, FK mittel, Welkefeuchte nach langen Trockenperioden
• 16. Erläutern Sie die bodenökologischen Porenklassen (Porenäquivalentdurchmesser, Entwässerungsdruck, ökologische Eigenschaften) weite Grobporen: >50µm enge Grobporen: 20-50µm, 60-300 hPa, Schnell dränende Poren, die schon kurz nach einem Niederschlag wieder wasserfrei sind, also geringe Wasserspeicherkapazitäten aufweisen, Drainage, Belüftung Mittelporen: 0,2-20µm, 300-15000 hPa, gehören zu den langsamdränenden Poren, d.h. speichern das Wasser im Boden Feinporen: <0,2µm, speichern Wasser dass jedoch ab einem nötigen Entwässerungsdruck von 15000hPa nicht mehr pflanzenverfügbar ist Welkefeuchte: bei pF 4,2, ab 15000 hPa, Wassergehalt reicht nicht aus um zu überleben
• 17. Erläutern Sie das Modell der Feldkapazität anhand einer Zeichnung. Wie wird die Feldkapazität für praktische Zwecke angenähert? Was ist die eigentliche Ursache für das Phänomen der Feldkapazität (denken Sie an die Wasserleitfähigkeit). Die Ursache für die Feldkapazität liegt in der vorliegenden Porenverteilung eines Bodens. Weist er viele Makroporen auf, ist seine Wasserleitfähigkeit/Luftkapazität hoch, die Fähigkeit Wasser gegen die Schwerkraft zu halten und zu speichern und damit die Feldkapazität gering. Als Annähreung spricht man bei Sättigung der langsam dränenden Poren von Feldkapazität. Zeichnung
• 18. Erläutern Sie anhand des Giessverhaltens gegenüber einer Zimmerpflanze, wieso a) kein Wasser aus dem Drainageloch herausfließt b) in welchem Fall Wasser herausfließt c) das Wasser nicht in den Boden im Topf eindringt und seitlich abfließt. Verw a) es wird nur so viel Wasser zugegeben, wie der Boden gegen die Schwerkraft halten kann b) der Wassersättigungspunkt des Bodens wird überschritten, der Boden kann nicht mehr Wasser aufnehmen - es kommt zur Tiefenversickerung c) die Oberfläche des Bodens wurde unpolar (hydrophob) wordurch das Wasser nicht versickern kann, sondern abperlt, es kommt zum Oberflächenabfluss
• 19. Beschreiben Sie ein einfaches Speichermodell für den Bodenwasserhaushalt. Der Boden wird in verschiedene Speicherelemente aufgeteilt, übereinanderliegende Becken. Sie werden gefüllt vom Regen oder von einem darüber liegenden Becken, dass seine Feldkapazität/Wassersättigung erreicht hat und überläuft. Der Überlauf des tiefsten Elements (unterhalb der Wurzeln) bildet die Grundwasserspende. Die Transpiration wird geschätzt und die Gesamttranspiration gemäß der Tiefenverteilung der Wurzeln auf die Becken aufteilt. Gebraucht wird: Niederschlag, Verdunstung, Wurzelverteilung, Feldkapazität des Bodens, Welkefeuchte, Anfangsfeuchteverteilung
• 20. Erläutern Sie die Begriffe „gesättigte“ und „ungesättigte Wasserleitfähigkeit“. Welche Prozesse können mit den jeweiligen Leitfähigkeiten beschrieben werden (jeweils 2 Beispiele).   Gesättigt: alle Bodenporen sind mit Wasser gefüllt(Grundwasser, Tiefenversickerung) Ungesättigt: Bodenporen sind nur zum Teil mit Wasser gefüllt (Welkefeuchute, Wurzeln müssen an trockenen Standorten sehr nah an die Bodenaggregate heranwachsen)
• 21.Was besagt das Darcy-Gesetz, welche Größen gehen ein? Es besagt, dass das durch einen Bodenquerschnitt fließende Wasser pro Zeit und Fläche, gleich dem Produkt der Wasserleitfähigkeit und dem Druckgradienten ist. V: perkoliertes Volument: ZeitdauerA: Fließquerschnittk: Wasserleitfähigkeith: Druckunterschiedz: Fließlänge h+z=Druckgradient
• 22. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen gesättigter Leitfähigkeiten und Körnung. Welche Rolle spielt die Sekundärstruktur? Je kleiner die Körnung des schlechter ist die Leitfähigkeit und desto mehr Wasser muss eingebracht werden, damit es zur Wasserableitung kommt. Die Sekundärstruktur spielt gerade bei Tonböden eine große Rolle, da dort die Leitfähigkeit mehr durch die Sekundärstruktur beeinflusst wird.
• 23. Erläutern Sie mit jeweils einem (maximal 2 Sätzen) drei Gründe warum die ungesättigte Wasserleitfähigkeit mit abnehmender Bodenfeuchte exponentiell abnimmt. 1. Bei entwässerten Böden führen nurnoch kleine Poren Wasser, das Wasser ist hier jedoch sehr viel fester an die Bodenoberfläche gebunden 2.Wenn weniger Poren wasserführend sind, nimmt auch der Fließquerschnitt ab 3. Vernetzung der Poren untereinander nimmt ab, ab einer bestimmten Häufigkeit von Unterbrechungen kann der Wasserfluß vollstänndig zum erliegen kommen
• 24. Was versteht man unter Bodenrespiration und Bodenbelüftung? Welche Organismen sind daran beteiligt? Bodenrespiration: Bodenatmung, Verbrauch von O2, Produktion von CO2 Wurzelatmung, Rhizosphärenatmnung, Atmung heterotropher Konsumenten - Wurzeln, Pilze, Mikroorganismen, Bodentiere Bodenbelüftung: (d.h. die Versorgung mit Sauerstoff und die Entsorgung des CO2)
• 25.Welches ist der dominierende Transportprozess in der Bodengasphase?   Diffusion: Zwischen Boden und Atmosphäre erfolgt kontinuierlich ein Konzentrationsausgleich. individuelle, zufällige Bewegung der Moleküle temperaturabhängig bei gleichmäßiger Zusammensetzung bewegen sich gleich viele Moleküle hinein wie hinaus herrscht ein Konzentrationsgradient kommt es zum Nettotransport
• 26.Diskutieren Sie den Begriff einer „nutzbaren O2-Kapazität“ im Boden.   Im Boden können nur ca. 5% des Sauerstoffes genutzt werden da alle Mikroorganismen von einem Wasserfilm umgeben sind und osmophag leben, wodurch eine hohe O2 Konzentration nötig ist.
• 27. Erläutern Sie die Sauerstoffkonzentrationen zwischen Atmosphäre, Interaggregatporen und Intraaggregatporen. Welche Bedeutung hat diese Verteilung für biologische Prozesse. Die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre beträgt ungefähr 21 %.  Im oberflächennhen Breich sind die Gasgradienten sehr gering. Der Transport im luftgefüllten Inter-Aggregatraum wird hauptsächlichvom zu Verfügung stehenden Transportvolumen und dessen räumlicherVernetzung bestimmt. Auch im tieferen (gut belüfteten) Boden sinkt die Sauerstoffkonzentration meist nicht unter 15 vol. %. Im wassergefüllten Intraaggegatraum können sich Gradienten von 20kPa auf wenigen mm aufbauen, d.h. im Aggregatinneren ist kein Sauerstoff mehr vorhanden. Im Aggragtinnern können somit „anaerobe Microsites“ entstehen. Z.B.kann Denitrifikation auch in gut belüfteten Böden stattfinden, wenn sie ansolchen Microsites stattfindet.
• 28.Was ist damit gemeint, dass die Bodenbelüftung „transportkontrolliert“ ist, der Bodenwasserhaushalt eher „speicherkontrolliert“? Damit ist gemeint, das die Bodenbelüftung von Transportprozessen in den Boden limitiert ist. Die Gase in der Atmosphäre sind permanent vorhanden. Der Bodenwasserhaushalt ist jedoch vom Niederschlag abhängig, der periodisch auftritt und von der Speicherkapazität, dem Vermögen des Bodens, Wasser gegen die Schwerkraft halten zu können.

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