Bodenkunde (Fach) / 05. Oberflächen und Oberflächenprozesse (Lektion)

Oberflächen und Oberflächenprozesse

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• 1. Warum sagt die Gesamtmenge an Nährstoff bzw. Schadstoff im Boden wenig darüber aus, wieviel von der Pflanze aufgenommen wird? Wenn ein Stoff an der Oberfläche der Bodenfestphase gebunden ist, kann er noch nicht von der Pflanze aufgenommen werden. Er muss dafür erst mobilisiert werden und in Lösung gehen. Da dies nicht mit allen Stoffen geschieht können die Pflanzen nicht alle im Boden vorhandenen Stoffe aufnehmen bzw. erreichen.
• 2. 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. Chemische Verwitterung: Veränderung der chemischen Struktur durch Hydrolyse, Hydratation, Oxidation, Protolyse. Protolyse: Einbau von Protonen in die Struktur. Physikalische Verwitterung: Zerkleinerung des Ausgangsgesteins z.B. durch Frost-, Temperatur-, Salzsprengung, Wurzeldruck, Druckentlastung, Abrasion, gegenseitige mechanische Belastung der Gesteine, wobei die Oberfläche bei gleicher Masse zunimmt. Abrasion: Zerkleinerung z.B. durch Wind oder Gletscher. Eissprengung: Durch Eindringen von Wasser in Risse und gefrieren sprengt das Gestein auf.
• 3. Warum ist toniger Boden in der Regel reaktiver als sandiger Boden? Nennen Sie zwei Beispielreaktionen, die in tonigen Böden intensiver ablaufen als in sandigen. Tonpartikel sind kleiner als Sandpartikel, wodurch er eine größere spezifische Oberfläche besitzt, die ihn reaktiver macht. Beispiel 1: Ionenaustausch (höhere KAK) Beispiel 2: Hydrolyse
• 4. „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 organische Substanz hat eine hohe spezifische Oberfläche, wohingegen Sand eine sehr kleine spezifische Oberfläche hat. Die organische Substanz ist daher von besonderer Bedeutung für die Nährstoffversorgung auf Standorten mit der Bodenart Sand, da Böden reaktiver sind, je höher die spezifische Oberfläche ist. Außerdem können die Nährstoffe im Sand leicht ausgewaschen werden und in der organischen Substanz werden Nährstoffe nachgeliefert.
• 5. Warum ist es schwierig, die reaktive Oberfläche von Böden zu bestimmen? Es ist schwierig, da die zur Bestimmung eingesetzten Gase unterschiedliche Ergebnisse liefern. Gase werden mit Böden gemischt und das System abgekühlt. Am Kondensationspunkt lagert sich das Gas an der Oberfläche an (Quantifizierung). Je nach Gas ist beim Kondensationspunkt weniger kinetische Energie vorhanden, sodass einige Fugen und Risse nicht erreicht werden können, bzw. durch die unterschiedliche Größe der Gasmoleküle.
• 6. 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“? Ein Tonmineral kann von organischer Substanz wie eine Schale umgeben sein. Die organische Substanz trägt stark zur spezifischen Oberfläche des Bodens bei. Die spezifischen Oberflächen sind jedoch nicht additiv, weshalb eine Zerstörung der organischen Substanz diese nicht beeinflusst. Die „Einschalung“ hemmt den mikrobiellen Abbau und führt zur Stabilisierung der organischen Substanz, trägt also zur Aggregatstabilität bei. Der Boden wird dadurch auch vor Erosion und Verschlämmung geschützt. Außerdem liegen günstige Bedingungen für Wasser- und Lufthaushalt vor, was die Bodenfruchtbarkeit stärkt und wodurch organischer Kohlenstoff im Boden angereichert wird (C-Speicher).
• 7. Sand besteht zum Großteil aus Quarz, dessen Farbe ist weißgelb. Wie kommt es, dass Sandkörner in Böden dennoch häufig ockerbraun oder auch schwarz-grau sind? Was könnte die Ursache für gebleichte Quarzkörner im Boden sein? Die Färbung kommt durch organische Substanzen und Eisenoxide zustande, die sich um die Quarzkörner anlagern. Man spricht von Verbraunung. Tieferliegende Quarzkörner ohne Kontakt zu organischer Substanz und Verwitterung (Entstehung von Eisenoxiden) können daher bleich werden und 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, der zusammen mit aus Mineralen vorhandenem Eisen und dem zugänglichen Grundwasser zu Eisen(II)-Phosphat reagieren könnte. Phosphorkomplexe bilden sich nur, wenn sehr viel Phosphor vorhanden ist, was auf eine landwirtschaftliche Nutzung schließen lässt, da bei natürlichen Konzentrationen diese Reaktion kaum stattfinden würde.
• 9. Welche Bodeneigenschaften bzw. Umweltbedingungen entscheiden darüber, ob in einem Boden Goethit oder Hämatit gebildet wird? Für die Bildung von Hämatit (Tropen) wichtig: hohe Bodentemeratur, geringe periodische Bodenfeuchte, hohe Dehydratations-/Mineralisations-/ Verwitterungsrate Für die Bildung von Goethit (gemäßigtes Klima) wichtig: wenig Verwitterung (wenig Eisen), viel Streu (Neigung zur Komplexausbildung)
• 10. Was versteht man unter der elektrischen Doppelschicht? Oberflächen der Bodenfestphase tragen meistens eine negative (gemäßigtes Klima) oder eine positive (tropisches Klima) Oberflächenladung. Diese wird durch Ionen entgegengesetzter Ladung ausgeglichen. Darum lagern sich Ionen an der Oberfläche an.
• 11. Welche Bodenbestandteile tragen im Wesentlichen zur negativen Ladung der Bodenfestphase bei? Negativ geladen sind Huminstoffe, Aluminiumoxide, Eisenoxide, Tonminerale, Hydroxide. Die negative Ladung entsteht durch isomorphen Ersatz und durch die Abspaltung von H+ Ionen von funktionellen Gruppen. Bei Huminstoffen kann die Ladung unterschiedlich sein, je nach pH-Wert.
• 12. Könnte Kalkung zur Verringerung pflanzenverfügbaren Kaliums in Böden beitragen? Ja, da durch Kalkung dem Boden Calcium zugeführt wird, welches mit Kalium um die Sorbtionsplätze konkurriert. Da das Calzium zweifach positiv geladen ist (Ca2+) und das Kalium hingegen nur einfach positiv (K+) bindet sich das Kalzium stärker an die Sorptionsplätze als das Kalium. Je höher der pH-Wert, desto negativer die Ladung der Bodenfestphase.
• 13. Bei Kalk-Applikation wird teilweise Mobilisierung von Cadmium beobachtet. Erklären Sie dieses Phänomen mithilfe Ihres Wissens zur Kationenaustauschkapazität von Böden. Cadmium und Calcium sind von der Ladung her gleich (Wertigkeitseffek nicht vorhanden). Aber durch die hohe Konzentration verdrängt Ca das Cadmium (Mengeneffekt). Daher wird das Cadmium von den Kationenaustauschplätzen verdrängt, wodurch das Cadmium mobil wird. Das Problem ist, dass dieses toxisch ist.
• 14. Ist es möglich, allein auf der Basis der potentiellen Kationenaustauschkapazität eines Bodens Aussagen über die Versorgung der Vegetation mit basischen Kationen zu machen? Nein, das ist nicht möglich, da die potenzielle KAK lediglich die Gesamtmenge der vorhandenen Kationen bei basischen-neutralen Umgebungsbedingungen wiedergibt. Da diese pH-Werte selten vorliegen bzw. unbekannt ist, welcher pH-Wert im Boden herrscht, kann keine Aussage über die eigentlich entscheidende effektive KAK gemacht werden. Welcher Anteil davon in austauschbarer Form vom Boden adsorbiert werden kann und damit für die Pflanze verfügbar ist, bleibt unklar.
• 15. Warum wird AI(3+) ein „saures“ Kation genannt? AI(3+) wird als saures Kation bezeichnet, da es in wässrigen Lösungen durch Hydrolysereaktionen Protonen (H+) freisetzt. AI(3+) + 3H2O → AI(OH)3 + 3 H+
• 16. Warum weisen „alte“, das heißt stark verwitterte Böden, häufig eine geringere KAK auf als schwach verwitterte Böden? Starke Verwitterung bewirkt, dass viele Kationen aus dem Boden ausgewaschen werden. Je geringer die Anzahl an Kationen ist, desto geringer ist auch die KAK, da ja weniger Kationen zum potentiellen Austausch bereit stehen. Durch Auswaschung von Ionen aber in besonderem Maße von Siliziumtetraedern, welche die durch isomorphen Ersatz entstandenen negativen Ladungen tragen, kommt es im Alterungsprozess zur Ladungsumkehr von Bodenoberflächen, die dann positiv geladen sind. Dadurch lagern sich vor allem Anionen an. Zudem haben stark verwitterte Tonteilchen weniger variable Ladungen und keine Quellfähigkeit, was den Effekt nochmal verstärkt (Kaolinit, Illit statt Vermiculit).
• 17. Sandige, humusarme Böden mit niedrigem pH-Werten sind gekennzeichnet durch sehr geringe Konzentrationen an pflanzenverfügbarem Mg. Warum? Sand hat eine geringe spezifische Oberfläche, wenig Nährstoffe können gespeichert werden viele Makroporen, wodurch  viele Nährstoffe aus der pflanzenverfügbaren Bodenlösung ausgewaschen werden können, der Anteil an Mg der auf sauren, sandigen Böden ausgewaschen wird ist jedoch gering Da Humus fehlt, kann er nicht zu spezifischen Oberfläche bei tragen, was eine Unterversorgung der Pflanzen verhindern könnte, außerdem gibt es weniger Huminstoff mit variablen Ladungen Hinzu kommt, dass unter sauren Bedingungen die KAK geringer ist, da mehr Protonen vorhanden sind die an Bodenoberflächen binden und dadurch den Kationen Bindungsmöglichkeiten streitig machen.
• 18. 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. Aufgrund seiner negativen Ladung und der stark reaktiven und großen geladenen Oberfläche kann Ton (wie auch Humus) gut Kationen aufnehmen. As(5+) wird also aus der AsO4 Verbindung gelöst und wird im Tonmaterial gebunden. Höherer Tongehalt entspricht damit einer höheren KAK, also einer höheren Aufnahmekapazität an Arsen, also einem geringeren Risiko für die Umwelt, da As nicht so schnell durch Auswaschung ins Grundwasser gelangen kann, sondern relativ fest gebunden wird. Mehr Ton bedeutet besser Filterfunktion, somit bindet der 15% Ton mehr Arsenat.
• 19. Fortsetzung von Frage 18: der Grundwasserspiegel an dem Standort steigt an. Warum könnte das zur Mobilisierung von Arsen aber auch von Phosphor führen? Arsen liegt als Arsenat vor, das Arsenat ist mit Fe-oxid an die Bodenfestphase gebunden; wenn der O-Gehalt sinkt, wird das Fe von 3+ zu 2+ reduziert, die Eisenoxide lösen sich dadurch auf und es kommt zur Mobilisierung von Arsen. Phosphat funktioniert auf die gleiche Weise.
• 20. 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 und Kaolinit als dominierende Minerale gilt diese Annahme nicht, warum? Da im gemäßigten Klima die Ladung der Bodenfestphase hauptsächlich negativ ist, lagert sich das (NO3)- Ion nirgends an, bzw es wird sogar abgestoßen. Es geht daher keine bindenden Wechselwirkungen ein und kann als Tracer genutzt werden. In sehr stark verwitterten tropischen Böden ist die Ladung der BFP umgekehrt, also positiv (→ hohe Anionenaustauschkapazität), sodass das Nitrat an die Bodenoberflächen sorbiert und gebunden wird.

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