Bodenkunde (Fach) / 04. Bodeneigene Stoffklassen (Lektion)

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• 1. 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). Pedogene Stoffe sind vom Boden erbrütet (bodeneigene Stoffe). Bei dem Übergang von organischen bzw. den mineralischen Ausgangsmaterialien zu den pedogenen sekundären Stoffen gibt es mehrere Prozesse. Bei der Humifizierung wird die Streu zu Huminstoffen zersetzt. Bei der Mineralisierung wird die Streu zu H2O, CO2 und N Ionen umgewandelt. Bei der Verwitterung und Mineralneubildung werden die primär zerkleinerten Minerale zu Tonmineralen/Oxiden umgewandelt.
• 2. Erläutern Sie den 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)
• 3. Warum sind die auf thermodynamischen Gleichgewichten beruhenden Stabilitätsdiagramme für die Mineralgehalte der Böden nur von begrenzter Aussagekraft? Die Phasendiagramme beruhen auf der Annahme von Gleichgewichtszuständen, deren Einstellung meist länger braucht als konstante Umgebungsbedingungen vorliegen. Insofern sind sie zur Bewertung natürlicher, konkreter Systeme nur von begrenztem Wert. Sie sind eher als Hinweise auf die Richtung der Mineralbildungsprozesse und Wirkungen zu verstehen.
• 4. Nennen Sie ein Beispiel, wie durch chemische Verwitterung eine physikalische Lockerung/Zerlegung des Gesteinsverbandes eintreten kann. Größere Gesteinsstücke werden zunächst fragmentiert durch die physikalische Verwitterung. Durch die chemische Umwandlung von Gesteinskörnern in Tonminerale geht auch meist eine Volumenvergrößerung einher, die wiederum den übrigen, bisher nicht angegriffenen Kornverband lockert. Beispiel Granit: Glimmer sind der leicht verwitterbare Bestandteil des Granits. Diese quellen auf, indem die Kalium-Ionen in den Randbereichen gelockert werden und Wasser eingelagert wird. Es kommt zu einer randlichen Aufweitung der Zwischenschicht, die das Gestein auseinander drückt und sprengen kann.
• 5. Erläutern Sie, wieso das Tonmineral Illit als Produkt eines Grenzfalls zwischen physikalischer und chemischer Verwitterung angenommen werden kann. Biotit unterliegt durch die sehr starke Verkleinerung bereits einer chemischen Umwandlung, da an den Randbereichen die eingelagerten Kaliumionen beweglich werden und es zur Wassereinlagerung und randlichen Aufweitung kommt. Dieser Biotit <2μm bekommt daher einen neuen Namen, da er neue Eigenschaften hat, und wird Illit genannt.
• 6. Welche Ionen sind am isomorphen Ersatz a) in den Tetraedern b) in den Oktaedern beteiligt (wer ersetzt wen, Folgen für die Gitterladung)? a) Beim isomorphen Ersatz in den Tetraedern wird Silizium durch Aluminium ersetzt. Es entsteht eine einfach negative Gitterladung und es kommt zur Einlagerung von Zwischenschicht-Kationen. b) Beim isomorphen Ersatz in den Oktaedern wird Aluminiumdurch Eisen (II und III) und Magnesium ersetzt. Aluminium führt zu einer einfach negativen Schichtladung. Magnesium und Eisen II zu einer zweifach negativen Schichtladung. Wird Eisen III verwendet, kann die negative Schichtladung sogar noch zunehmen.
• 7. Tonminerale kann man von den Glimmern ableiten. Nennen und erläutern Sie 3 Unterschiede zwischen den bodenbürtigen Tonmineralen und den Glimmern (und anderen gesteinsbürtigen Phyllosilikaten). Bodenbürtige Tonminerale haben keine fest definierte Ladung und sind chemisch stabiler, da sie gleichgewichtsnah unter Bodenbedingungen sind. Sie sind quellfähig und haben eine sehr aktive Oberfläche, was eine hohe KAK bedingt und Ionenaustausch möglich macht. Die Quellfähigkeit erlaubt die Ausbildung eines Bodengefüges, welches die gleichzeitige Belüftung und Wasser/Nährstoffversorgung garantiert. Bodenbürtige Tonminerale sind sehr schwach kristallisiert, sie sind sehr kleine (<2μm) Kristalle variabler Form, was dem Boden die nötige Vielfalt und Struktur für Bodenfunktionen und mikrobielle Besiedlung gibt.
• 8.) 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? Die Elementarschicht eines Tonminerals besteht aus einer Tetraeder-Oktaeder-Tetraeder-Schicht. Der Kristall eines Tonminerals ist <2μm groß. Im Tonmineral gibt es mehrere Elementarpakete mit je 10-100 Elementarschichten.
• 9. Nach welchen Kriterien werden Tonminerale eingeteilt? Erläutern Sie drei der Kriterien mit einem Beispiel. Ein Kriterium für die Einteilung von Tonmineralen ist die Schichtfolge, zum Beispiel 2 Schicht (Kaolinit), 3 Schicht (Montmorillonit), 4 Schicht (Chlorit). Ein weiteres Kriterium ist der Basisabstand, das heißt die Distanz zwischen den Elementarschichten. Bei Smectit ist der Abstand zum Beispiel variabel, bei Illit hingegen fix. Wenn der Basisabstand Variabel ist besteht die Möglichkeit der Wassereinlagerung, das Tonmineral ist dann quellfähig. Die Stärke der Schichtladung ist ein weiteres Kriterium für die Einteilung von Tonmineralen. Bei hoher Schichtladung kommt es zu einer Fixierung des Basisabstands und der Zwischenschichtionen, wie zum Beispiel beim Illit. Bei fehlender Schichtladung findet kein Kationenaustausch statt und das Tonmineral ist somit nicht quellfähig, wie zum Beispiel das Kaolinit. Der Ort der Schichtladung stellt ein weiteres Kriterium dar. Bei einem isomorphen Ersatz im Oktaeder ist das Ladungszentrum weiter entfernt, wodurch es zu geringeren Bindungskräften kommt und eine bessere Quellfähigkeit und ein besserer Ionenaustausch entsteht, zum Beispiel bei Montmorillonit, der zu den Smectiten gehört und ein quellfähiges 3-Schicht-Tonmineral ist.
• 10. Warum sind Tonminerale mit isomorphem Ersatz in den Oktaederschichten eher quellfähig als solche mit isomorphen 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.
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• 11. Was kann mit einem Vermiculit (Schichtladung in den Tetraedern) bei starkem K-Überschuss passieren? Bei starkem K-Überschuss können Vermiculite zu Illiten kontrahieren, denn K (und auch NH4+) passen exakt in die Aushöhlungen. Sie verdrängen das Magnesium (isomorpher Ersatz) aus dem Vermiculit. Da das K dann extrem fest sitzt im Illit, ist diese Reaktion kaum mehr umkehrbar.
• 12. Was passiert mit den Tonmineralen bei andauernder Desilifizierung (Herauslösung von Kieselsäure)? (Produkte) In welchem Klima wird das begünstigt? Desilifizierung führt zur Bildung von Kaolinit und zur Anreicherung von Oxiden. Dies geschieht vor allem in einem humiden Klima.
• 13. Nennen Sie die drei wichtigsten Bestandesgrößen im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf der Ökosysteme. Im globalen Maßstab: In welchem Mengenverhältnis stehen diese Pools zueinander? Boden: 1600 Gigatonnen CO2 Gehalt Atmosphäre: 750 Gigatonnen CO2 Gehalt Lebende Biomasse: 500 Gigatonnen CO2 Gehalt
• 14. Erläutern Sie die Begriffe „Bruttoprimärproduktion“ und „Nettoprimärproduktion“. Durch Assimilation von CO2 und Stoffen aus dem Boden unter Zufuhr von Lichtenergie (Photosynthese) werden organische Pflanzenstoffe gebildet. Die Bruttoprimärproduktion ist die Gesamtmenge der von Pflanzen neu gebildeten Assimilate pro Zeiteinheit. Die Nettoprimärproduktion ist  die Bruttoprimärproduktion abzüglich der Menge an Assimilaten, die die Pflanze für die Aufrechterhaltung ihres eigenen Stoffwechsels respiriert hat.
• 15. Welches ist der mengenmäßig wichtigste Anteil frischer Streu? Wie hoch ist etwa der Kohlenstoffgehalt von pflanzlicher Trockensubstanz? Die frische Streu besteht hauptsächlich aus Wasser (75%). Von den 25% Trockensubstanz bestehen wiederum 50% aus Kohlenstoff.
• 16. Aus welchen 3 organischen Substanzen besteht die pflanzliche Biomasse überwiegend? Erläutern Sie mit einem Satz den Chemismus dieser Substanzen. Cellulose ist ein Polysaccharid (ein aus Einfachzucker aufgebauter Vielfachzucker), der aus mehreren tausend Glucose-Monomeren besteht, die unverzweigt zu faserförmigen Strukturen polymerisiert (Ausbildung einer Makrostruktur) sind und bis zu 50 prozentiger Bestandteil von Zellwänden sind. Hemicellulose besteht aus vielen verschiedenen Monomeren (Pentosen, Hexosen etc.) und besitzt Seitenketten und Verzweigungen und lagern Stoffe ein, was sie zu einem sehr wichtigen Bestandteil und Gerüstsubstanz der pflanzlichen Zellwand macht. Lignin ist ein dreidimensionales, vielverzweigtes Polymer mit Phenylpropanoiden (Aromaten, schlecht abbaubar), welches für die Verholzung der Faserzwischenräume und Druckfestigkeit verantwortlich ist und eine zentrale Vorstufe des Huminstoffs ist.
• 17. Erläutern Sie den Begriff der Mineralisation, welches sind die Endprodukte, welches ist das dominierende Endprodukt? Mineralisation ist der vollständige mikrobielle Abbau von organischer Substanz in seine anorganischen Grundbausteine. Endprodukte sind Wasser, Kohlenstoffdioxid und Ionen. Dominierendes Endprodukt ist CO2.
• 18. Was ist Humifizierung? Nennen und erklären Sie kurz 3 grundlegende Eigenschaften der Endprodukte. Humifizierung ist die Umwandlung von organischem Material in organische, pedogene Verbindungen, den Huminstoffen. Die Endprodukte sind amorph, dunkel gefärbt und reagieren meist sauer durch die vorhandenen sauren funktionellen Gruppen: Carboxylgruppen und phenolische Hydroxylgruppen, sie haben dadurch eine hohe KAK.
• 19. Was ist gemeint, wenn Huminstoffe als „supramolekular“ bezeichnet werden? Damit ist gemeint, dass Huminstoffe nicht als Makromoleküle verstanden werden, sondern als Assoziationen zahlreicher Monomere. Sie bilden eine übergeordnete Struktur aus.
• 20. Erläutern Sie zwei wichtige, sauer wirkende funktionale Gruppen der Huminstoffe. Huminstoffe wirken sauer aufgrund ihrer sauren Funktionalen Gruppen, der Carboxyl- und Hydroxylgruppe. Beide besitzen eine variable Ladung. Bei hohem pH-Wert ist die H+ Konzentration in der Umgebung gering, Protonen werden von den Stellen der variablen Ladung dissoziiert, die dafür Kationen binden können. Die  KAK ist sehr hoch. Bei niedrigem pH-Wert werden die meisten freien Stellen der variablen Ladung mit Protonen besetzt, die KAK sinkt.
• 21. Welche ökologische Bedeutung haben 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. Dies führt zu einer niedrigen KAK. Bei hohen pH-Werten deprotonieren die sauren Gruppen und anstatt der Protonen können sich nun Kationen anlagern, was zu einer sehr hohen KAK führt. Saure Böden sind daher problematisch was die Verfügbarkeit 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.
• 23. 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. Er kann Wasser gut speichern (Quelleigenschaften), hat eine pH-Abhängige starke KAK, trägt durch Lichtabsorption zur Bodenerwärmung bei, stabilisiert die Struktur, besitzt eine große Oberfläche und bietet Bakterien Nahrung. Er trägt zur Bodenbelüftung bei und er dient als Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorspeicher. Es werden zwei Arten von Humusanreicherung unterschieden: Mineralbodenhumus (durchmischt, Bildung mineral-organischer Komplexe, stabiler), der sich positiv auf die Bodenfruchtbarkeit auswirkt und Auflagehumus (rein organisch, labil gegenüber veränderten Umweltbedingungen, sauer). Der Auflagehumus 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, 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. Es kommt zu einer Entkopplung der Nährstoffkreisläufe.
• 24. Warum sollten Humifizierung und Mineralisierung in einem ausgewogenen Verhältnis stehen? Gesunde Böden brauchen sowohl Mineralien für den Nährstoffkreislauf, 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 10% und Mineralien 90% ein gutes Mischverhältnis.
• 25. Unter welchen Bedingungen sind Huminstoffe besonders gut vor Abbau geschützt? Strukturchemische Eigenschaften: Aromatische Verbindungen wie Lignin verhindern einen vollständigen mikrobiellen Abbau Wechselwirkung mit der Mineralphase: Organische Substanzen können durch die Interaktion mit Mineralen (v.a. Tonminerale und Eisenoxide) stabilisiert werden. Dabei bilden sich stabile so genannte Ton-Humus-Assoziate oder organo-mineralische Verbindungen. Physikalische Trennung: Räumliche Trennung von Substrat und Zersetzern (z.B. Einschluss von Pflanzenresten im Inneren von Aggregaten). Außerdem überwiegt die Humifizierung unter folgenden Bedingungen: kalt, trocken, nass, N-Mangel, O2-Mangel, pilzlicher Abbau, sauer, scharfer Wechsel in der Bodenfeuchte.

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