Ökochemie (Fach) / Gewässer und Bodenversauerung (Lektion)

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• Welche Möglichkeiten gibt es Bodenversauerung zu definieren bzw. zu erfassen? - Abnahme des pH-Wertes der Bodenlösung- Abnahme der Säureneutralisationskapazität (Pufferfähigkeit) der Bodenfestphase - Unterteilung nach natürlicher und anthropogener Bodenversauerung- Erfassung über (a) Versauerungsindikator: Ca/Al-Verhältnis der Bodenlösung (b) Bestimmung der Säureneutralisationskapazität (SNK) d.h. Aussage über Puffer.- Treibhausgasexperiment- Bleimarkierungsexperiment- Eutrophierungsexperiment- Titrationsexperiment (aktuell) → Dem Boden werden kontinuierlich Protonen zugeführt und die dadurch frei gesetzten Schwermetalle werden gemessen. Die in der Lösung angereicherten Metalle behindern eine weitere Freisetzung von SM - Bestimmen lässt sich der pH-Wert des Bodens durch Messung eines Eluats (Aufschlämmung der festen Bodensubstanz, Mischungsverhältnis wichtig) zum Beispiel mit einer pH-Elektrode. Die Pufferkapazität bestimmt man über den Gehalt der jeweiligen Elemente oder Verbindungen, wie Beispielsweise Carbonat.
• Beschreiben Sie (in Worten) auf Basis welcher Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten der pH-Wert von Oberflächengewässern berechnet werden kann, der im Gleichgewicht mit der CO2 Konzentration der Atmosphäre steht. Welcher pH-Wert ergibt sich? „Bei einem CO2-Partialdruck von 0,00035bar [übliche Konzentration in der Atmosphäre] sind bei chemischem Gleichgewicht in Wasser (18°C) 10-4,9mol Kohlensäure gelöst“Eine Berechnung des pH-Wertes ist über die Reaktionsgleichungen der Lösungsreaktion und der (ersten) Dissoziation von Kohlensäure in Wasser möglich. Dabei kommt das Massenwirkungsgesetz zum Einsatz.Es ergibt sich ein pH-Wert von ungefähr 5,7.
• Auch wenn außer Kohlensäure, keine weiteren Säuren im Boden vorhanden sind, ist der pH-Wert der Bodenlösung häufig niedriger als der für Gewässer berechnete, warum? Zum einen ist der Partialdruck des Kohlenstoffdioxid durch die Wurzelatmung im Interaggregatraum (zum Teil viel) größer als in der freien Atmosphäre.Zum anderen gibt es aber noch weitere Quellen für Protoneneintrag im Boden. Beispielsweise fallen bei Nitrifikationsvorgängen Protonen an (in naturnahen Böden werden diese aber an anderer Stelle wieder verbraten).
• Warum steuert die Form der Stickstoffernährung (NH4+ oder NO3-) häufig den pH-Wert in der Rhizosphäre? Wenn Pflanze NH4 aufnimmt, gibt sie direkt Protonen ab, nimmt sie NO3- auf, gibt sie OH- oder HCO3- ab => artspezifische pH-Absenkung
• Warum trägt Biomasseentzug (z.B. Streunutzung) zur Versauerung von Böden bei? In einem geschlossenen N-Kreislauf ist die Protonenbilanz indifferent, d.h. = 0. Entzug von Biomasse führt im Stickstoff-Kreislauf zu einer räumlichen Entkopplung von Protonenproduktion und –konsumption. Natürlicherweise werden die zwei bei der Nitrifizierung entstehenden Protonen bei der N-Assimilation in der Pflanze und der Ammonifizierung nach Absterben der Pflanze verbraucht. Wird die Biomasse dem System allerdings entzogen, so entfällt Schritt der Ammonifizierung, sodass der entstehende Protonenüberschuss eine Versauerung bewirkt.
• Wie kann es durch Kahlschlag-Nutzung zu Bodenversauerung kommen? Es kommt zur Entkopplung der Nitrifikation und der Nitrataufnahme. D.h. die Bakterien nitrifizieren, es sind aber keine Pflanzen mehr da, die das Nitrat aufnehmen können.In den nun folgenden Sickerungsperioden wird das Nitrat nun ausgewaschen, d.h. dass immer Protonen übrig bleiben. Des Weiteren führt Kahlschlag durch Basenabfuhr mit dem Erntegut und der verringerten Nährstoffaufnahme des Standorts zu einer starken Versauerungswirkung - Austrag von Nährstoffen (v.a. von Nitrat), da die Vegetation fehlt, die das Nitrat verbrauchen könnte- Klimatische Bedingungen auf der Bodenoberfläche ändern sich (wird wärmer), was die Nitrifikation durch Bakterien von der Temperaturzunahme angekoppelt wird.- Humusauflage und Mineralboden versauern, weil Pufferreaktionen im Unterboden stattfinden → Entkopplung!
• Welche Puffersubstanzen gibt es in Böden und für welchen pH-Bereich sind diese jeweils relevant? Carbonat-Pufferbereich: 8,6 – 6,2Silikat-Pufferbereich: 6,2 – 5,0Austauscher-Pufferbereich: 5,0 – 4,2Aluminiumpufferbereich: 4,2 – 2,8Eisenpufferbereich: 3,8 – 2,4
• Nennen und beschreiben Sie zwei Protonen-produzierende und zwei Protonenverbrauchende Prozesse, die in Böden ablaufen. Protonen-produzierende Prozesse:- Dissoziation von Wasser- Protonenabgabe durch Pflanzen (Ausgleich)- Oxidation von Fe²+ Protonen-verbrauchende Prozesse:- Pufferprozesse- Umkehrung der Protonen-produzierenden Prozesse- Mineralisierung von Kationen- Dekomplexierung von Kationen?
• pH Pufferbereiche und Puffersubstanzen: Warum findet man in Böden mit pH < 4 teilweise noch intakte Silikate, aber in Böden mit pH < 6 niemals geogenen Kalk? Weil Kalk in seinem Pufferbereich eine hohe Pufferrate hat, sich also sofort auflöst, wenn der pH droht, darunter zu sinken; Silikat dagegen braucht sehr lange um aufgelöst zu werden
• Häufig ist der pH-Wert des Bodens niedriger als nach Vorhandensein der jeweiligen Puffersubstanz zu erwarten. Nennen Sie vier Gründe dafür und erläutern Sie diese mit je einem Beispiel. 1. Räumliche und zeitliche Entkopplung von Protonenproduktion/-Konsumptionbspw. nitrifizieren die Bodenmikroorganismen bei hohen Temperaturen besonders stark, sodass das Nitrat nicht alles aufgenommen werden kann (zeitliche Entkopplung)bspw. Biomasseentzug aus dem N-Kreislauf2. Lokale Versauerung bspw. in der Rhizosphäre durch Protonenabgabe als Ausgleich für Kationenaufnahme3. Kinetische Limitierung von Pufferprozessenbspw. haben Silikatpuffer nur eine sehr geringe Puffergeschwindigkeit & Kleine Oberflächen hemmen die Pufferprozesse4. Produktlimitierung von Pufferprozessenbspw. Bildung von Oberflächenpräzipitaten d.h. Ablagerungen von Ausfällungen an den Oberflächen von Mineralen, sodass das Mineral durch eine Art Kruste vor weiterer Verwitterung geschützt ist.
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• Bei geringen Sickerwasserraten kann es zu einer Anreicherung von Produkten der Pufferreaktion in Böden kommen. Wie wirkt sich diese Anreicherung auf die Pufferkapazität der Böden aus? Begründen Sie Ihre Antwort. Diese sog. Oberflächenpräzipitate lagern sich an den Oberflächen von Mineralen als eine Art Kruste ab. Sie schützen so das „Innere“ des Minerals vor weiterer Verwitterung d.h. dass diese Minerale keine weiteren Säureeintrag puffern können und der Boden versauert. Neben der Anreicherung von Ausfällungsprodukten an der Mineraloberfläche kann auch die zunehmende Anreicherung von bspw. Aluminium in der Bodenlösung kann ebenfalls dazu führen, dass die Pufferkapazität vermindert wird. Dies geschieht allerdings nur, wenn die Ionen in der Bodenlösung verbleiben und nicht durch den Sickerwasserstrom ausgewaschen werden (verminderter Strom).Dadurch kommt es zu einem Konzentrationsgradienten und es wird kein weiteres Aluminium mehr herausgelöst.
• Was ist das dominierende Kation der Bodenlösung bei einem Boden mit durchschnittlichem Bodenlösungs-pH von (a) 7 und (b) 3,5? Warum? (a) vor allem Ca2+ Kationen aus der Carbonatpufferung(b) vor allem Al3+ Kationen aus der Oxidpufferung (Umkehrung der Hydrolyse d.h. Dekomplexierung von Al)
• Was versteht man unter dem Prozess der Kronenraumpufferung und welche Folgen hat dieser Prozess für die Rhizosphäre? Das bedeutet, dass die Nadeln von Koniferen (große Oberfläche) auf Säureeinträge in der Atmosphäre reagieren bspw. Schwefelsäure aus saurem Regen.Trifft eine Säure auf die Nadeln reagieren die Protonen der Säure (positiv geladen) mit den negativ geladenen Zellwänden und tauscht die daran gebundenen Ionen (bspw. Ca) aus. Diese werden als Calciumsulfat in die Bodenlösung geleitet → Auswaschung von Nährstoffen aus den Assimilationsorganen.Wegen dem dadurch entstehenden Calciummangel nimmt die Pflanze Calciumionen aus der Bodenlösung auf und gibt im Gegenzug Protonen an diese ab → verstärkte Versauerung des Wurzelraumes (Rhizosphäre)Erfassung über die Depositionsmessungen: pH-Werte im Bestandesniederschlag sind höher als im Freilandniederschlag
• Mit welchen Problemen müssen Pflanzen „klar kommen“, die auf sauren Böden wachsen (pH im Mineralböden < 4)? Nennen Sie zwei. Welche Möglichkeiten gibt es, dem Säurestress zu entgehen? (a) Nährstoffauswaschungd.h. dass mit zunehmend saurem pH-Wert immer weniger basische Kationen an den Austauschern sind, da diese durch Protonen ersetzt wurden. Sie befinden sich nun in der Bodenlösung und können sehr leicht ausgewaschen werden-->  Destabilisierung der Zellwände, Schwächung der Abwehrkräfte, K-/Mg-Mangel (b) Al3+ Mobilisierung/ Zunahme von H+, Al3+, SMd.h. dass sich die Aluminiumoxide im Boden zunehmend angegriffen und Aluminium-Ionen mobilisiert werden. Sie wirken toxisch für Pflanzen (phytotoxisch)-> Risiko der Wurzelschädigung nimmt zu & Feinwurzelwachstum nimmt abSäurestress entgehen:- Verstärktes Wurzelwachstum in der Humusauflage (Konzentration der Nährstoffe, v.a. Mg) und weniger phytotoxisch wirkendes komplexiertes Aluminium- Symbiose mit Mykorrhiza-Pilzen
• Warum deutet hohe Al-Sättigung im Mineralboden auf anthropogen bedingte Bodenversauerung hin? Bei anthropogen eingetragenen Säuren, handelt es sich in den meisten Fällen um starke Säuren (d.h. sie geben Protonen leicht ab) bspw. um Schwefel- oder Phosphorsäure. Charakteristisch sind hohe Konzentrationen von Protonen in kurzer Zeit.Da die Dekomplexierung von Aluminiumhydroxiden erst im stark sauren Bereich (erst ab pH 4,3) möglich ist, kommt es also darauf an, wie stark die Säuren sind, die sich im Boden befinden. Die hohe Aluminiumsättigung sagt also aus, dass hier starke Säuren d.h. Säuren, die leicht ihre Protonen abgeben, am Werk gewesen sein müssen.System ist nicht auf so starken Säureeintrag eingestellt und kann nicht puffern, versauert Zunehmens.Bodenwasser fließt entlang der Aggregatoberflächen im Boden → nicht der gesamte Boden steht für Pufferprozesse zur Verfügung → Vermindert Pufferkapazität von Böden und führt zu Versauerung im Bereich wo Wurzeln vermehrt wachsen: an den Aggregatoberflächen
• 16. Durch anthropogen bedingte Bodenversauerung (Eintrag STARKER Säuren) ist an einem Standort der pH Wert des Ah Horizontes von pH 5 auf pH 4 abgesunken. Mit Kalkung versucht man den Säureeintrag zu kompensieren. Kann mithilfe der Kalkung der Bodenzustand vor Einsatz der anthropogen bedingten Bodenversauerung wieder hergestellt werden? Begründen Sie Ihre Antwort unter Berücksichtigung der abgelaufenen Pufferreaktion. - Böden mit hoher Pufferkapazität für Protonen und Anionen reagieren zwar langsamer auf Säureeinträge, können sich aber nach Rückgang der Einträge wieder erholen.- Aufgrund von langjährigem Einfluss der hohen Säureeinträge, sind viele Böden so ausgelaugt, dass so stark an Nährstoffen verarmt sind, dass nur eine sehr langsame Erholung erwartet werden kann.- Kalkung kann diesen Prozess zwar unterstützen, Veränderungen aber nicht reversibel zurückführen.- Außerdem ist die Abnahme der Säureneutralisationskapazität von Böden und die Auflösung von bodeneigenen Puffersubstanzen irreversibel und kann auch nicht durch gestoppte Säureeinträge oder durch Kalkung vollständig rückgängig gemacht werden.
• Warum ist Bodenversauerung häufig mit verschlechterter Mg-Versorgung der Bäume verbunden? Mg2+ gehört zu den basischen Kationen, die mit sinkendem pH-Wert durch Protonen von den Austauschern gelöst werden, in die Bodenlösung gelangen und dort ausgespült werden. Magnesium-Ionen kommen nun vermehrt in der Humusauflage vor, aber da Pflanzen Magnesium aus dem Mineralboden besser als aus der Humusauflage aufnehmen können, kommt es häufig zu einer Magnesium- Mangelversorgung → Schäden bei Wachstum
• Huminsäuren können über spezifische Sorption (Ausbildung von inner sphere Komplexen) an Eisenoxide im Mineralboden gebunden werden. Der in manchen Einzugsgebieten beobachtete Anstieg von Huminsäuren in Oberflächengewässern wird häufig mit zurückgehender Bodenversauerung und ansteigendem Boden-pH erklärt. Erläutern Sie diesen Zusammenhang auf der Basis Ihres Wissens zur spezifischen (De)Sorption von Anionen im Boden. Anionen sind negativ geladen. Sie werden also an positive Flächen angezogen.Dies geschieht in zunehmend saurer werdendem pH-Bereich, wenn sich Protonen an die Sauerstoff-Atome der pedogenen Oxide anlagern. Sie werden protoniert, also positiv geladen und sind so befähigt negative Teilchen zu binden.In zunehmend alkalischer werdendem pH werden diese Protonen abgespalten, die Oxide besitzen also deprotonierte Oberflächen und es werden bevorzugt Kationen sorbiert und Anionen gelangen in die Bodenlösung.
• Nennen Sie drei positive und drei negative Effekte der Kalkung von Waldböden. Welche Aspekte müssten berücksichtigt werden, wenn es darum geht über die Kalkung von Waldstandorten zu entscheiden. Positiv:- Anstieg des pH-Wertes, leichtere Mobilisierung von Ca- Abbau / Mobilisierung der Humusauflage- Anregung der biologischen AktivitätNegativ:- Kalkung führt zu erhöhtem Nitrataustrag im Wurzelraum (da organische Substanz mobilisiert und nitrifiziert wird)- Abbau der organischen Auflage- Schwermetallmobilisierung Weitere Aspekte: Kalkung wirkt im Oberboden, Bodenversauerung aber im Mineralboden.Bodenversauerung ist ein natürlicher Teil der Bodenalterung. Kalkung kann zur Artenverschiebung führen; Standorteigenschaften müssen berücksichtigt werden!Abschätzung des Kalkungsbedarfs und der Kalkungsempfindlichkeit.

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